Myślę, że uchwyconą na tytułowym zdjęciu rakietę rozpoznało już wielu pasjonatów astronautyki, którzy aktywnie interesują się historią i aktualnym stanem rzeczy w dziedzinie eksploracji i eksploracji kosmosu.
Ta rakieta, a raczej wzmacniacz rakietowy, jest największą rakietą na paliwo stałe, jaką kiedykolwiek stworzono ludzkość.
Cóż, teraz stało się jeszcze bardziej.
Jest to boczny wzmacniacz systemu promu kosmicznego, który teraz stał się jeszcze większy, ponieważ oprócz standardowych czterech sekcji, z którymi wystartował z promem kosmicznym, dodatkową piątą sekcję, która pozwoli mu stać się rakietą booster nowego super-ciężkiego kosmicznego systemu startowego NASA, zwanego SLS (Space Launch System).
To właśnie ten system, zgodnie z ideą NASA, powinien zwrócić Stanom Zjednoczonym Ameryki palmę pierwszeństwa we wszystkich aspektach eksploracji kosmosu, jednocześnie dając całej ludzkości możliwość powrotu na kosmiczną granicę, ostatecznie przerywając zaklęty krąg niskiej Ziemi. orbitę i powrót do porządku dziennego kwestii eksploracji Księżyca, a nawet… Marsa.
Jak realny i jak wykonalny jest ten ambitny program? Spróbujmy to rozgryźć.
Porównawcze rozmiary historycznych, współczesnych i rozwiniętych amerykańskich systemów startowych.
Dodatkowe pytanie: dlaczego Delta IV jest większa niż Falcon 9?
Obecny stan amerykańskiej kosmonautyki po opuszczeniu areny systemu wahadłowców kosmicznych jest raczej godny ubolewania: najcięższym pojazdem nośnym, jakim dysponują Stany Zjednoczone pod względem obecnego stanu, jest Delta IV Heavy, która może zrzucić 28 ładunku Orbita ziemska (LEO), 4 tony.
Rodzina Delta IV, pomimo ogromu wysiłków projektowych, inżynieryjnych i komercyjnych Boeinga, mających na celu stworzenie i wypromowanie swojego potomstwa na rynku, okazała się być „w niewłaściwym czasie i w niewłaściwym miejscu”: na tle niskich kosztów starty rosyjskiej rakiety Proton i dla ukraińskiego Zenit-3SL koszt wystrzelenia ładunku za pomocą Delta IV okazał się dość nieopłacalny.
Jednorazowe uruchomienie „Delty IV” kosztowało 140-170 mln USD, podczas gdy koszt podobnej ładowności Protona wyniósł około 100 mln USD, a koszt uruchomienia mniejszego, ale konkurencyjnego z „Delta IV” ukraińskiego „Zenith-3SL” był jeszcze niższy - tylko 60 milionów dolarów.
Tak wysoki koszt startu Delty IV zmusił Boeinga do starania się wyłącznie o zamówienia rządowe, w wyniku czego wszystkie starty Delty, z wyjątkiem jednego, były opłacane z budżetu Departamentu Stanu USA.
Wprowadzenie na rynek rakiety nośnej Delta IV w wariancie ciężkim. Masa startowa to około 733 tony.
W końcu, w połowie 2000 roku, Delta IV w końcu wypadła z komercyjnego segmentu startów kosmicznych - i nigdy nie była w stanie tam wrócić aż do chwili obecnej, kiedy to chłopaki z prywatnego sklepu SpaceX, którego rakieta Falcon, wystartowali 9 zbliżył się również do rynkowej niszy „Delty IV”, a modyfikacja tej samej rakiety, nazwana Falcon 9 Heavy, planowana do startu w 2015 roku, nawet ją przekroczyła.
Na starcie Falcona 9 Heavy od razu zostanie włączonych 27 silników Merlin o ciągu 66 ton każdy, napędzanych naftą i tlenem.
To dzieło Elona Muska powinno doprowadzić „prywatny” program kosmiczny SpaceX do wcześniej nieosiągalnego poziomu: w przypadku jednorazowej wersji rakiety nośnej masa przewożonego ładunku do LEO wyniesie do 53 ton, na GPO - 21,2 tony i na trajektorii na Marsa - 13,2 tony. Wraz ze zwrotem bocznych dopalaczy i jednostki centralnej nośność nie przekroczy 32 ton na LEO - za ponowne użycie rakiety nośnej trzeba zapłacić dodatkowym zużyciem paliwa, a co za tym idzie, zmniejszeniem ładowności.
Wśród innowacji technicznych podczas rozwoju Falcon 9 Heavy, deweloper zadeklarował unikalną możliwość przelewania paliwa i utleniacza podczas lotu z bocznych dopalaczy do pierwszego stopnia pojazdu startowego, co pozwoli na posiadanie pełnych zbiorników paliwa w centralnym sekcji w momencie oddzielenia bocznych dopalaczy i poprawy wydajności ładunku umieszczonego na orbicie….
Montaż kadłubów pierwszych stopni rakiet Falcon 9. Teraz w kole zainstalowanych jest już 8 silników, z jednym centralnym. W zatłoczonym, ale nie szalonym.
Wspomniana w ostatnim akapicie „trajektoria na Marsa” nie jest abstrakcją. Z masą startową 1462 ton, dwukrotnie większą niż obecnie rekordowa Delta IV, ciężki Sokół jest już niezbędnym krokiem, który pozwala poważnie pomyśleć o lotach na Księżyc i Marsa. Choć w konfiguracji bardziej zbliżonej do sowieckich eksperymentów z aparatem serii Probe niż do kolosalnego amerykańskiego programu Saturn-Apollo.
Jednak w przyszłości koncepcja „Delta IV” i Falcon 9 z bocznymi dopalaczami, które są „klonami” swoich pierwszych etapów, zacznie spadać zgodnie z oczekiwaniami.
Chodzi o to, że niemożliwe jest pomnożenie początkowych „ścian bocznych”, które pozwalają zwiększyć masę wyjścia obciążenia do LEO do nieskończoności - dwa lub cztery bloki boczne można jeszcze jakoś dołączyć do centralnego, ale wtedy złożoność montażu i kontroli takiej wieloskładnikowej struktury, która właśnie rośnie wykładniczo.
Właśnie na tym ogólnie zasnęła księżycowa rakieta Korolev N-1, która na pierwszym etapie miała 30 silników rakietowych NK-33, co w połączeniu z pięciostopniowym schematem samej rakiety nie pozwalają dopracować do końca wszystkich kwestii jego bezproblemowego uruchomienia.
Obecna konfiguracja Falcona 9, zaczynająca się od razu z 27 silnikami, jest już bliska granicy złożoności, a ponadto najprawdopodobniej firma Elona Muska będzie już musiała zwiększyć masę i rozmiar pojedynczej jednostki rakietowej, co natychmiast zwiększa wymagania wzdłuż całego łańcucha produkcji, transportu i startu rakiet.
Rosyjska obiecująca rodzina rakiet „Angara” prawdopodobnie stanie przed podobnymi problemami. Już niewielki względny rozmiar bloku jednostki powoduje, że rakieta Angara-A5 o masie startowej 733 ton musi natychmiast umieścić cztery „boki” dopalacza (o nośności 24,5 tony na LEO).
Angara-A5 przed startem 23 grudnia 2014 r. Na starcie pracuje pięć silników RD-191, każdy o ciągu 196 ton.
Dalszy wzrost nośności Angary wynika z faktu, że do podstawy drugiego stopnia trzeba przymocować nie cztery, ale sześć dopalaczy rakietowych, co być może już stanowi swego rodzaju ograniczenie konstrukcyjne i inżynieryjne przy skalowaniu systemów pakietowych., ponieważ limitem dla koncepcji Falcon 9 jest 27 silników Merlin-1D na trzech blokach startowych.
Powstały projekt Angara-A7 będzie mógł, według obliczeń, z własną masą startową 1370 ton, dostarczyć LEO 50 ton ładunku (w przypadku wykorzystania paliwa wodorowego do drugiego etapu), co najprawdopodobniej być maksymalnym skalowaniem koncepcji rakiety rodziny Angara.
Porównanie „Angary A5” i koncepcji „Angara A7” – z naftą i paliwem wodorowym. Jednocześnie jest odpowiedź – dlaczego „Delta IV” jest duża, a Falcon 9 – mały.
Ogólnie rzecz biorąc, cokolwiek by powiedzieć, koncepcje oparte na bloku rakietowym klasy 200, a nawet 400 ton - nadal okazuje się, że konstrukcyjno-inżynieryjny limit karachunów dla takich „pakietowych” pocisków wynosi około 1300- 1500 ton, co odpowiada wycofywanej masie 45-55 ton na LEO.
Ale wtedy już konieczne jest zwiększenie zarówno ciągu pojedynczego silnika, jak i wielkości stopnia rakietowego lub akceleratora.
I to jest właśnie droga, którą dzisiaj podąża projekt SLS.
Po pierwsze, biorąc pod uwagę negatywne doświadczenia „Delty IV”, twórcy SLS starali się jak najlepiej wykorzystać przeszłość. Wykorzystano wszystko i wszystkich: dopalacze rakietowe promu kosmicznego, które zostały wzmocnione w celu stworzenia ciężkiej rakiety, oraz stare silniki wodorowo-tlenowe RS-25 samego promu, które zostały zainstalowane w drugim etapie, oraz.. … (zwolennicy teorii "spisku księżycowego" - przygotujcie się!) dawno zapomniane silniki wodorowo-tlenowe J-2X, które wywodzą się z silników drugiego i trzeciego stopnia rakiety księżycowej "Saturn V" i które są proponowane do być stosowany w projektowanych górnych stopniach SLS!
Co więcej, długoterminowe plany ulepszenia akceleratorów SLS zakładają dwa konkurencyjne projekty wykorzystujące silniki rakietowe na paliwo ciekłe zamiast paliw stałych: projekt firmy Aerojet, która zaprezentowała opracowany silnik naftowo-tlenowy o obiegu zamkniętym AJ1E6 na przyszłość „ciężki” nośnik, który wywodzi się z pocisków NK-33 Royal H-1 – oraz projekt Pratt & Whitney Rocketdine, który proponuje… (i znowu, niespodzianka, lunosceptycy!) przywrócić w USA produkcję F -1 silników, które kiedyś podniosły słynną rakietę Saturn V z Ziemi.
Być może życie wróci na te stanowiska testowe. Testowanie pierwszego etapu "Saturn V" - "Saturn 1C" LV w sierpniu 1968 na stanowisku testowym Cyclopean V-2. Zwróć uwagę, że stopień jest transportowany na barce.
Uczestniczy w opracowaniu przyszłego, obiecującego akceleratora startowego i obecnego producenta dopalaczy na paliwo stałe, które są na początkowym montażu rakiety SLS, Blok I - ATK (Alliant Techsystems), który zaproponował dalsze powiększenie istniejącego dopalacza promu kosmicznego zwiększając jego długość i średnicę… Projekt obiecującego akceleratora z ATK nosi nazwę „Mroczny rycerz”.
Ano jak wisienka na torcie – jedna z przyszłych konfiguracji systemu SLS, Block Ib, zakłada wykorzystanie jako trzeciego stopnia jednostki wodorowo-tlenowej, zapożyczonej z… rakiety Delta IV!
To jest „piekielne LEGO”, w którym NASA próbowała ocenić, połączyć i wykorzystać wszystkie istniejące rozwiązania w dziedzinie ciężkich rakiet.
Czym jest rodzina nośników SLS? W końcu, jak już pamiętamy na przykładzie „Delty IV”, „Hangarów” i Falcona 9 – gabaryty mogą mylić.
Oto prosty diagram, aby zrozumieć, co jest zamierzone:
Po lewej stronie diagramu znajdują się ciężkie pojazdy nośne, które nadal posiadały Stany Zjednoczone. Księżycowy Saturn V, który mógł wnieść do LEO ładunek 118 ton, oraz prom kosmiczny, który, jak się wydawało, umieścił sam wahadłowiec wielokrotnego użytku na orbicie ważącej od 120 do 130 ton, ale jednocześnie mógł dostarczyć tylko bardzo skromna ładowność - tylko 24 tony ładowności.
Koncepcja SLS będzie realizowana w dwóch zasadniczych wersjach: załogowej (załoga) i bezzałogowej (ładunek).
Ponadto niedostępność trzech obiecujących projektów dopalaczy rakietowych firm Aerojet, Rocketdine i ATK zmusza NASA do użycia dostępnych „części rakietowych LEGO”, a mianowicie tych ulepszonych do pięciu sekcji dopalaczy wahadłowca kosmicznego.
Zbudowany w ten sposób przejściowy „ersatz-carrier” (oficjalnie nazywany SLS Block I), jednak według wszelkich obliczeń będzie miał już znacznie większą nośność niż działający „Delta IV” czy Falcon 9 Heavy, który jest gotowy do uruchomienia. Pojazd startowy SLS Block I będzie w stanie podnieść do LEO ładunek o wadze 70 ton.
W porównaniu z koncepcją SLS, pokazane są wstrzymane prace NASA w ramach programu Constellation - rakieta nośna Ares (Mars), która nie została jeszcze stworzona do końca, która wykonała tylko jeden lot testowy w 2009 roku, w projekcie Ares 1X, który składał się z tego samego zmodyfikowanego czterosekcyjnego akceleratora promu kosmicznego, do którego podłączono testowy ładunek piąty segment i prototypowe obciążenie drugiego stopnia. Celem tego lotu próbnego było sprawdzenie działania pierwszego stopnia na paliwo stałe w układzie „pojedynczy drążek” („log”), jednak coś musiało się wydarzyć w czasie prób, kiedy rozdzielono I i II stopień, nastąpił nieautoryzowany skok do przodu I stopnia, spowodowany najprawdopodobniej dopalaniem fragmentów paliwa oderwanych przez wstrząs w nim. Dopalacz na paliwo stałe w końcu dogonił układ drugiego stopnia i staranował go.
Potem dość nieudana próba złożenia „nowego LEGO” ze starych części została skrócona w NASA, projekt Ares i sama konstelacja zostały odłożone na półkę nieudanych koncepcji, a także z opracowanych podstaw w ramach konstelacji, pozostał tylko dość udany orbitalny załogowy statek kosmiczny "Orion", który został zbudowany zgodnie ze schematem kapsuły powrotnej typowej dla statków jednorazowych, co ostatecznie położyło kres szybowcowi wielokrotnego użytku promu kosmicznego.
Sonda Orion przed pierwszym startem na rakiecie Delta IV. grudzień 2014.
Średnica statku kosmicznego Orion wynosi 5,3 metra, waga statku kosmicznego to około 25 ton. Wewnętrzna objętość Oriona będzie 2,5 razy większa niż wewnętrzna objętość statku kosmicznego Apollo. Objętość kabiny statku to ok. 9 m³. Ze względu na tak imponującą masę jak na orbitalny statek kosmiczny i swobodną objętość wewnętrzną, Orion podczas misji przyziemnych na niskich orbitach (na przykład podczas wyprawy na ISS) może obsłużyć 6 kosmonautów.
Jednak, jak już wspomniano na początku, głównym zadaniem dla Oriona i powinien umieścić go na orbitach poza systemem niskiego odniesienia SLS jest powrót Stanów Zjednoczonych do zadań opanowania dalekiej przestrzeni kosmicznej, a przede wszystkim, Księżyc i Mars.
To na lot na Księżyc i być może na Marsa główne wysiłki Stanów Zjednoczonych i Rosji są obliczone na ulepszenie ich statków kosmicznych i rakiet nośnych.
Tutaj w zasadzie w dogodnej formie tabelarycznej analizowana jest różnica między amerykańskim „Orionem” a rosyjskim systemem PPTS.
O nazwę PPKS PPTS oczywiście trzeba od razu kogoś pokonać, ale cóż. I ogólnie, niestety, z projektem PPTS wszystko jest do tej pory bardzo trudne.
Dlatego w odniesieniu do PPTS na razie mamy tylko zabawne zdjęcia z wystawy. Ale w rzeczywistości do tej pory robiono to, by mało obrażać …
Jest tylko model - między przeszłością a przyszłością. Jest tylko model - i trzymaj się go …
Poza problemami z finansowaniem, niezrozumieniem koncepcji i szeregiem problemów projektowych i inżynieryjnych, przyszłość PTS jest niepewna i wynika to z braku odpowiedniego pojazdu nośnego do niektórych zaplanowanych zadań. Jak powiedziałem, na razie Rosja ma tylko "Angara-A5" w metalu, który może dostarczyć LEO nie więcej niż 24,5 tony, co wystarcza na misje blisko Ziemi, ale absolutnie nie wystarcza na dalszy atak na Księżyc lub Marsa.
Ponadto koncepcja PPTS opierała się na stworzeniu alternatywy dla pocisku „Angara” z rodziny „Rus-M”, nad którym również dotychczas wstrzymano prace.
Projekty rakiet z rodziny „Rus” na tle wyłącznie rodzin „Sojuz” i „Angara”.
Głównym celem rodziny pocisków Rus było zapewnienie lotów załogowych, dzięki czemu rakieta, poza innymi względami równymi, ma mniejszy ładunek na LEO niż pociski Angara. Wynika to z faktu, że podczas lotów załogowych jednym z wymogów jest zdolność wyrzutni do opuszczenia startu nawet w przypadku awarii jednego z silników oraz wymóg zapewnienia kontynuacji lotu w przypadku kolejnej awarii. jednego z silników - z kontynuacją wystrzelenia statku kosmicznego na obniżoną orbitę lub zapewnieniem ratunku i bezpiecznego lądowania.
Wymagania te, w tym specjalna trajektoria startu, która powinna zapewniać załodze przeciążenie nie większe niż 12 g w przypadku jakichkolwiek sytuacji awaryjnych oraz obecność systemu ratownictwa ratunkowego (SAS), prowadzą do znacznego zmniejszenia nośności Rus” w wersji załogowej.
Ponadto wybrano średnicę konstrukcyjną bloku bazowego „Rus” wynoszącą 3,8 metra w oparciu o tradycyjny dla ZSRR i Rosji transport części pojazdów nośnych koleją.
W Stanach Zjednoczonych celowo, począwszy od programu Saturn-Apollo, wykonano pierwsze etapy rakiet nośnych w oparciu o odpowiednie rozmiary, biorąc pod uwagę możliwość ich transportu transportem wodnym (przybrzeżno-morskim i rzecznym), co znacznie uprościło wymagania dotyczące wymiarów oddzielnej jednostki rakietowej …
Transport pierwszego etapu Saturn V LV na barce po rzece Perłowej.
Dziś prace nad SLS i Orionem, nawet po upadku Constellation, idą pełną parą.
Wraz z ukończeniem Bloku I SLS, który będzie oparty prawie w całości na istniejącym zaległości wahadłowca kosmicznego, NASA planuje przejść do kolejnej, znacznie bardziej ambitnej fazy - Bloku II SLS, z przystankami pośrednimi w postaci Bloku SLS Ia i Blok SLS Ib.
Opcja budowania LEGO, jeśli dopalacze rakietowe będą gotowe wcześniej. Blok I, Blok Ia, a następnie Blok II.
Opcja budowania LEGO, jeśli zmodyfikowany trzeci etap jest gotowy wcześniej. Blok I, Blok Ib, a następnie Blok II.
Pojazd startowy SLS Block Ia powinien już otrzymać jeden z obiecujących wzmacniaczy startowych rakiet: albo od Aerojet na zamkniętym cyklu naftowo-tlenowym AJ1E6, albo od Rocketdyne na zmodyfikowanym otwartym cyklu F-1 z Saturna V, albo to samo na nowym paliwo stałe „Czarny Rycerz” firmy ATK.
Każda z tych opcji będzie w stanie zapewnić konstrukcji Block Ia nośność w rejonie LEO 105 ton, która jest już porównywalna z nośnością Saturn V i promu kosmicznego (jeśli policzymy to razem z promem).
Te same zadania rozwiąże stworzenie wielkoskalowego i dostosowanego do wielkości całego systemu startowego trzeciego stopnia kriogenicznego, który będzie mógł uzupełnić dwustopniowy system Block I (przyspieszacze startu i stopień centralny). na silnikach wahadłowca kosmicznego) z trzecim stopniem, który dla wariantu Block Ia będzie, jak już wspomniałem, zapożyczony z rakiety Delta IV, a także zapewni SLS-owi moc wyjściową do 105 ton ładunku do LEO.
Wreszcie, ostateczny system Bloku II powinien już mieć pełnowymiarowy, masowo skonstruowany trzeci stopień SLS, który będzie wykorzystywał, podobnie jak drugi stopień Saturn V, 5 zaawansowanych silników J-2X i dostarczy 130 ton ładunku do LEO.
Ale nawet pomimo tych wszystkich sztuczek takie „kosmiczne LEGO” będzie kosztować około 500 milionów dolarów za start, co oczywiście jest mniej niż koszt wystrzelenia promu kosmicznego (1,3 miliarda dolarów), ale wciąż - wystarczająco czułe dla budżetu NASA.
Jakie zadania powinien rozwiązać SLS i dlaczego NASA nie bierze pod uwagę opcji Falcon 9 Heavy, która ma zapewnić koszt 135 milionów dolarów za jednorazowy system przesyłu paliwa i 53 tony ładowności dla LEO?
Chodzi o to, że NASA celowała w Księżyc, Marsa, a nawet asteroidy i satelity Jowisza! A Falcon 9 Heavy okazuje się zbyt małą rakietą do takich zadań…
Rakieta nuklearna na Marsa!
Ale to oczywiście temat na dobry osobny artykuł….
PS. Po ponownym przeczytaniu mojego artykułu, zgłaszam się.
Jeśli krytykuję współczesne rosyjskie podejście do eksploracji kosmosu i chwalę Amerykanów, to są ku temu dobre powody.
W 2010 roku stan amerykańskiego programu eksploracji kosmosu był godny ubolewania: program promu kosmicznego był już zaplanowany do zamknięcia, starty Aresa wykazały całkowitą niespójność pomysłów Constellation, wszystkie amerykańskie gazety i czasopisma pisały o „rosyjskim niewolnictwie kosmicznym” dla Stanów Zjednoczonych.
Ale w ciągu ostatnich 5 lat amerykański przemysł kosmiczny przegrupował się, otrzymał niezbędne fundusze i nauczył się żyć w nowych, trudniejszych warunkach.
Czy rosyjska kosmonautyka będzie mogła się tym pochwalić za 5 lat - zwłaszcza na tle tego, że ten rok przynosi nam nieszczęśliwe wieści o zamknięciu programów Rus-M i PPTS LV, odroczeniu startu kosmodromu Wostoczny i całkowita redukcja finansowania Roskosmosu?
Poczekaj i zobacz. Trzymam za palce krzyżykiem.
