Dziś wielu z nas zna lub przynajmniej słyszało o rodzinie częściowo wielokrotnego użytku rakiet nośnych prywatnej firmy SpaceX. Dzięki sukcesowi firmy, a także osobowości założyciela, Elona Muska, który sam często staje się bohaterem kanałów informacyjnych, rakiety Falcon 9, SpaceX i loty kosmiczne w ogóle nie opuszczają stron międzynarodowej prasy. Jednocześnie Rosja miała i nadal ma własne opracowania i nie mniej ciekawe projekty rakiet wielokrotnego użytku, o których wiadomo znacznie mniej. Odpowiedź na pytanie, dlaczego tak się dzieje, jest oczywista. Rakiety Ilony Mask regularnie latają w kosmos, a rosyjskie rakiety wielokrotnego i częściowo wielokrotnego użytku to na razie tylko projekty, rysunki i piękne zdjęcia w prezentacjach.
Kosmos startuje dzisiaj
Dziś można śmiało powiedzieć, że Roskosmos w pewnym momencie pominął temat rakiet wielokrotnego użytku, mając w swoich rękach rozwój i projekty wyprzedzające inne kraje o kilka lat. Wszystkie projekty rosyjskich rakiet wielokrotnego użytku nigdy nie zostały ukończone, nie zostały zrealizowane w metalu. Na przykład jednostopniowa rakieta nośna Korona wielokrotnego użytku, opracowana w latach 1992-2012, nigdy nie została doprowadzona do logicznego zakończenia. Już widzimy wynik tej błędnej kalkulacji w rozwoju. Wraz z pojawieniem się amerykańskiej rakiety Falcon 9 i jej wariantów Rosja poważnie straciła swoją pozycję na rynku komercyjnych startów w kosmos, a także jest poważnie gorsza pod względem liczby startów w kosmos rocznie. Pod koniec 2018 roku Roskosmos informował o 20 startach w kosmos (jedna nieudana), natomiast w kwietniu 2018 roku w rozmowie z TASS szef Roskosmosu Igor Komarow poinformował, że planuje przeprowadzić 30 startów w kosmos. koniec roku. Liderem pod koniec ubiegłego roku były Chiny, które przeprowadziły 39 startów w kosmos (jedna nieudana), na drugim miejscu znalazły się Stany Zjednoczone z 31 startami w kosmos (żadnych nieudanych).
Mówiąc o nowoczesnych lotach kosmicznych, należy zrozumieć, że w całkowitym koszcie uruchomienia nowoczesnego pojazdu startowego (LV) główną pozycją kosztów jest sama rakieta. Jego karoseria, zbiorniki paliwa, silniki – to wszystko wiecznie odlatuje, spala się w gęstych warstwach atmosfery, widać, że takie bezpowrotne wydatki sprawiają, że każdy start rakiety nośnej staje się bardzo kosztowną przyjemnością. Nie konserwacja kosmodromów, nie paliwo, nie prace montażowe przed startem, ale cena samego pojazdu startowego to główna pozycja wydatków. Bardzo złożony wytwór technologiczny myśli inżynierskiej jest używany przez kilka minut, po czym ulega całkowitemu zniszczeniu. Oczywiście dotyczy to rakiet jednorazowych. Sam pomysł wykorzystania pojazdów nośnych do odzyskania nasuwa się tutaj sam, jako realna szansa na obniżenie kosztów każdego startu w kosmos. W takim przypadku nawet zwrot tylko pierwszego etapu powoduje, że koszt każdego startu jest niższy.
Lądowanie zwrotnego pierwszego etapu rakiety nośnej Falcon 9
Jest to podobny schemat, który został wdrożony przez amerykańskiego miliardera Elona Muska, tworząc możliwy do odzyskania pierwszy etap ciężkiego rakiety nośnej Falcon 9. Chociaż pierwszy etap tych pocisków jest częściowo odzyskiwalny, niektóre próby lądowania kończą się niepowodzeniem, ale liczba nieudane lądowania spadły prawie do zera w 2017 i 2018 roku. Na przykład w zeszłym roku na każde 10 udanych lądowań pierwszego etapu przypadało tylko jedno niepowodzenie. W tym samym czasie SpaceX również otworzył nowy rok udanym lądowaniem pierwszego etapu. 11 stycznia 2019 r. pierwszy etap rakiety Falcon 9 pomyślnie wylądował na pływającej platformie, co więcej został ponownie wykorzystany, a wcześniej we wrześniu 2018 r. wystrzelił na orbitę satelitę telekomunikacyjnego Telestar 18V. W dzisiejszych czasach takie zwrotne pierwsze etapy są już faktem dokonanym. Kiedy jednak przedstawiciele amerykańskiej prywatnej firmy kosmicznej tylko mówili o swoim projekcie, wielu ekspertów wątpiło w możliwość jego pomyślnej realizacji.
W dzisiejszych realiach pierwszy stopień rakiety klasy ciężkiej Falcon 9 w niektórych startach może być używany w wersji reentry. Doprowadzając drugi stopień rakiety na odpowiednią wysokość, oddziela się on od niego na wysokości około 70 kilometrów, oddokowanie następuje około 2,5 minuty po wystrzeleniu rakiety (czas zależy od konkretnych zadań startowych). Po oddzieleniu od LV, pierwszy stopień, wykorzystując zainstalowany system kontroli położenia, wykonuje mały manewr, unikając płomienia pracujących silników drugiego stopnia i obraca silniki do przodu, przygotowując się do trzech głównych manewrów hamowania. Podczas lądowania pierwszy stopień wykorzystuje do hamowania własne silniki. Warto zauważyć, że zwrócony etap nakłada własne ograniczenia na start. Na przykład maksymalna ładowność rakiety Falcon 9 jest zmniejszona o 30-40 procent. Wynika to z konieczności rezerwowania paliwa na hamowanie i późniejsze lądowanie, a także z dodatkowego ciężaru zainstalowanego sprzętu do lądowania (stery kratowe, podpory do lądowania, elementy systemu sterowania itp.).
Sukcesy Amerykanów i duża seria udanych startów nie pozostały niezauważone na świecie, co sprowokowało serię wypowiedzi o rozpoczęciu projektów wykorzystujących częściowe wykorzystanie rakiet, w tym powrót dopalaczy bocznych i pierwszy etap z powrotem na Ziemię. W tej kwestii wypowiedzieli się również przedstawiciele Roskosmosu. Spółka zaczęła mówić o wznowieniu prac nad stworzeniem rakiet wielokrotnego użytku w Rosji na początku 2017 roku.
Pojazd startowy „Korona” - widok ogólny
Rakieta wielokrotnego użytku Korona i wcześniejsze projekty
Warto zauważyć, że pomysł pocisków wielokrotnego użytku był badany już w Związku Radzieckim. Po upadku kraju ten temat nie zniknął, prace w tym kierunku trwały. Zaczęli znacznie wcześniej niż Elon Musk właśnie o tym mówił. Dla przykładu, zwrócono bloki pierwszego etapu superciężkiej radzieckiej rakiety Energia, co było konieczne ze względów ekonomicznych i dla realizacji zasobu silników RD-170, przeznaczonych na co najmniej 10 lotów.
Mniej znany jest projekt rakiety nośnej Rossiyanka, który został opracowany przez specjalistów z Państwowego Centrum Rakietowego Academician V. P. Makeev State Rocket Center. To przedsiębiorstwo znane jest głównie z rozwoju wojskowego. To właśnie tutaj powstała większość krajowych pocisków balistycznych przeznaczonych do uzbrojenia okrętów podwodnych, w tym rakiety balistyczne R-29RMU Sineva będące obecnie na uzbrojeniu rosyjskiej floty okrętów podwodnych.
Zgodnie z projektem Rossiyanka była dwustopniowym pojazdem nośnym, którego pierwszy etap był wielokrotnego użytku. Zasadniczo ten sam pomysł, co inżynierowie SpaceX, ale kilka lat wcześniej. Rakieta miała wystrzelić 21,5 tony ładunku na niską orbitę odniesienia - wskaźniki zbliżone do rakiety Falcon 9. Powrót pierwszego etapu miał nastąpić po trajektorii balistycznej ze względu na ponowne włączenie silników etapu standardowego. W razie potrzeby nośność rakiety można było zwiększyć do 35 ton. 12 grudnia SRC Makiejew zaprezentowało swoją nową rakietę na konkursie Roscosmos na opracowanie rakiet wielokrotnego użytku, ale zamówienie na stworzenie takich urządzeń trafiło do konkurentów z Państwowego Centrum Badań i Produkcji Kosmicznej Chrunichev z Bajkał-Angara projekt. Najprawdopodobniej specjaliści z SRC Makeev mieliby kompetencje do realizacji swojego projektu, ale bez wystarczającej uwagi i finansowania było to niemożliwe.
Projekt Bajkał-Angara był jeszcze bardziej ambitny, był to samolotowa wersja pierwszego etapu powrotu na Ziemię. Zaplanowano, że po osiągnięciu zadanej wysokości przedziału, w pierwszym etapie otworzy się skrzydło specjalne, a następnie będzie leciał wzdłuż samolotu z lądowaniem na lotnisku konwencjonalnym z wysuniętym podwoziem. Jednak sam taki system jest nie tylko bardzo złożony, ale i drogi. Do jej niepodważalnych zasług należała możliwość powrotu z większej odległości. Niestety projekt nigdy nie został zrealizowany, wciąż czasami jest pamiętany, ale nic więcej.
Teraz świat myśli o pojazdach nośnych wielokrotnego użytku. Elon Musk ogłosił projekt Big Falcon Rocket. Taka rakieta powinna otrzymać nietypową dla współczesnej kosmonautyki dwustopniową architekturę, jej drugi stopień to pojedyncza całość ze statkiem kosmicznym, który może być zarówno towarowym, jak i pasażerskim. Planuje się, że pierwszy etap Superheavy powróci na Ziemię, wykonując pionowe lądowanie na kosmodromie za pomocą swoich silników, ta technologia została już doskonale opracowana przez inżynierów SpaceX. Drugi stopień rakiety wraz ze statkiem kosmicznym (w rzeczywistości jest to statek kosmiczny do różnych celów), który został nazwany Starship, wejdzie na orbitę Ziemi. Drugi etap również będzie miał wystarczająco dużo paliwa, aby zwolnić w gęstych warstwach atmosfery po zakończeniu misji kosmicznej i wylądowaniu na platformie morskiej.
Warto zauważyć, że SpaceX też nie ma dłoni w takim pomyśle. W Rosji projekt rakiety wielokrotnego użytku jest rozwijany od lat 90. XX wieku. I znowu pracowali nad projektem w State Rocket Center nazwanym na cześć akademika V. P. Makeeva. Projekt rosyjskiej rakiety wielokrotnego użytku ma piękną nazwę „Korona”. Roskosmos przypomniał ten projekt w 2017 roku, po czym pojawiły się różne komentarze na temat wznowienia tego projektu. Na przykład w styczniu 2018 r. Rossiyskaya Gazeta opublikowała wiadomość, że Rosja wznowiła prace nad rakietą kosmiczną wielokrotnego użytku. Chodziło o pojazd startowy Korona.
W przeciwieństwie do amerykańskiej rakiety Falcon-9, rosyjska Korona nie ma zdejmowanych etapów, w rzeczywistości jest pojedynczym miękkim statkiem kosmicznym do startu i lądowania. Według Władimira Degtyara, generalnego projektanta SRC Makiejew, projekt ten powinien otworzyć drogę do realizacji dalekodystansowych międzyplanetarnych lotów załogowych. Planuje się, że głównym materiałem konstrukcyjnym nowej rosyjskiej rakiety będzie włókno węglowe. Jednocześnie „Korona” jest przeznaczona do wystrzeliwania statku kosmicznego na niskie orbity okołoziemskie na wysokości od 200 do 500 kilometrów. Masa pojazdu nośnego wynosi około 300 ton. Masa ładunku wyjściowego wynosi od 7 do 12 ton. Start i lądowanie „Korony” powinno odbywać się przy użyciu uproszczonych urządzeń startowych, ponadto opracowywana jest możliwość startu rakiety wielokrotnego użytku z platform morskich. Nowy pojazd startowy będzie mógł korzystać z tej samej platformy do startu i lądowania. Czas przygotowania rakiety do kolejnego startu to tylko około jeden dzień.
Należy zauważyć, że materiały z włókna węglowego potrzebne do tworzenia rakiet jednostopniowych i wielokrotnego użytku są stosowane w technologii lotniczej od lat 90. ubiegłego wieku. Od początku lat 90. projekt Korona przeszedł długą drogę rozwoju i znacznie się rozwinął, nie trzeba dodawać, że początkowo chodziło o jednorazową rakietę. Jednocześnie w procesie ewolucji projekt przyszłej rakiety stał się zarówno prostszy, jak i doskonalszy. Stopniowo twórcy rakiety porzucili stosowanie skrzydeł i zewnętrznych zbiorników paliwa, doszli do wniosku, że głównym materiałem korpusu rakiety wielokrotnego użytku będzie włókno węglowe.
W najnowszej dotychczasowej wersji rakiety wielokrotnego użytku Korona jej masa zbliża się do 280-290 ton. Tak duży jednostopniowy pojazd nośny wymaga bardzo wydajnego silnika rakietowego na paliwo ciekłe, który jest zasilany wodorem i tlenem. W przeciwieństwie do silników rakietowych, które są umieszczone na osobnych stopniach, taki silnik rakietowy na paliwo ciekłe powinien pracować wydajnie w różnych warunkach i na różnych wysokościach, w tym przy starcie i locie poza ziemską atmosferę. „Zwykły silnik rakietowy na paliwo płynne z dyszami Lavala działa tylko na określonych wysokościach” – mówią projektanci Makeevka. Strumień gazu w takich silnikach rakietowych dostosowuje się do ciśnienia „za burtą”, ponadto zachowują swoją sprawność zarówno na powierzchni Ziemi, jak i dość wysoko w stratosferze.
RN „Korona” w locie orbitalnym z zamkniętym przedziałem ładunkowym, render
Jednak do tej pory na świecie po prostu nie ma działającego silnika tego typu, chociaż były one aktywnie rozwijane w ZSRR i USA. Eksperci uważają, że rakieta nośna wielokrotnego użytku Korona powinna być wyposażona w modułową wersję silnika, w której klinowa dysza powietrzna jest jedynym elementem, który obecnie nie ma prototypu i nie został przetestowany w praktyce. Jednocześnie Rosja ma własnych technologów w produkcji nowoczesnych materiałów kompozytowych i ich części. Ich rozwój i zastosowanie są z powodzeniem zaangażowane na przykład w JSC „Composite” i Wszechrosyjskim Instytucie Materiałów Lotniczych (VIAM).
Aby zapewnić bezpieczny lot w atmosferze ziemskiej, struktura z włókna węglowego Korony będzie chroniona płytką termoizolacyjną, która została wcześniej opracowana przez VIAM dla statku kosmicznego Buran i od tego czasu przeszła znaczącą ścieżkę rozwoju. „Główne obciążenie cieplne Korony będzie skoncentrowane na dziobie, gdzie zastosowano wysokotemperaturowe elementy ochrony termicznej” – zauważają projektanci. „Jednocześnie rozszerzone boki rakiety nośnej mają większą średnicę i są ustawione pod ostrym kątem do przepływu powietrza. Obciążenie termiczne tych elementów jest mniejsze, a to z kolei pozwala nam na stosowanie lżejszych materiałów. W rezultacie osiągnięto oszczędność około 1,5 tony masy. Masa wysokotemperaturowej części rakiety nie przekracza 6 procent całkowitej masy osłony termicznej dla Korony. Dla porównania wahadłowiec kosmiczny stanowił ponad 20 proc.
Smukły, zwężający się kształt rakiety wielokrotnego użytku jest wynikiem wielu prób i błędów. Według twórców, podczas pracy nad projektem przejrzeli i ocenili setki różnych opcji. „Zdecydowaliśmy się całkowicie porzucić skrzydła, takie jak te promu kosmicznego lub statku kosmicznego Buran” – mówią twórcy. - Ogólnie rzecz biorąc, gdy w górnych warstwach atmosfery skrzydła kolidują tylko ze statkiem kosmicznym. Takie statki kosmiczne wchodzą w atmosferę z prędkością naddźwiękową nie lepszą niż „żelazko”, a dopiero z prędkością naddźwiękową przechodzą do lotu poziomego, po czym mogą w pełni polegać na aerodynamice skrzydeł”.
Stożkowy osiowo-symetryczny kształt rakiety pozwala nie tylko ułatwić ochronę przed ciepłem, ale także zapewnić jej dobre właściwości aerodynamiczne podczas poruszania się z dużymi prędkościami lotu. Już w górnych warstwach atmosfery „Korona” otrzymuje siłę nośną, która pozwala rakiecie nie tylko zwalniać, ale także wykonywać manewry. Dzięki temu rakieta nośna może manewrować na dużej wysokości podczas lotu do miejsca lądowania, w przyszłości wystarczy tylko dokończyć proces hamowania, skorygować kurs, skręcić w dół za pomocą małych silników manewrowych i wylądować na ziemi.
Problem z projektem polega na tym, że Korona wciąż jest rozwijana w warunkach niedostatecznego finansowania lub jego całkowitego braku. Obecnie SRC Makiejew ukończył tylko projekt projektu na ten temat. Zgodnie z danymi ogłoszonymi podczas XLII Academic Readings on Cosmonautics w 2018 r. przeprowadzono studia wykonalności projektu stworzenia rakiety nośnej Korona oraz opracowano skuteczny harmonogram rozwoju rakiety. Zbadano warunki niezbędne do powstania nowej rakiety nośnej oraz przeanalizowano perspektywy i wyniki zarówno procesu rozwoju, jak i przyszłej eksploatacji nowej rakiety.
Po wybuchu informacji o projekcie Crown w 2017 i 2018 roku znów nastaje cisza… Perspektywy projektu i jego realizacji są wciąż niejasne. Tymczasem SpaceX ma zamiar zaprezentować próbkę testową swojej nowej rakiety Big Falcon Rocket (BFR) wielokrotnego użytku latem 2019 roku. Może minąć wiele lat od stworzenia próbki testowej do pełnoprawnej rakiety, co potwierdzi jej niezawodność i osiągi, ale na razie możemy stwierdzić: Elon Musk i jego firma robią rzeczy, które można zobaczyć i dotknąć rękami. Jednocześnie Roskosmos, zdaniem premiera Dmitrija Miedwiediewa, powinien zakończyć swoje projektowanie i porozmawiać o tym, gdzie będziemy latać w przyszłości. Musisz mniej mówić, a więcej robić.
