Không gian Nga

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Người ta tin rằng công nghệ luôn phát triển dần dần, từ đơn giản đến phức tạp, từ dao đá đến thép - và chỉ sau đó là máy phay được lập trình. Tuy nhiên, số phận của tên lửa vũ trụ hóa ra không dễ dàng như vậy. Việc tạo ra các tên lửa một tầng đơn giản, đáng tin cậy trong một thời gian dài vẫn không thể tiếp cận được đối với các nhà thiết kế.

Các giải pháp được yêu cầu mà cả các nhà khoa học vật liệu và kỹ sư động cơ đều không thể đưa ra. Cho đến nay, các phương tiện phóng vẫn có nhiều tầng và dùng một lần: một hệ thống cực kỳ phức tạp và đắt tiền được sử dụng trong vài phút rồi vứt bỏ.

“Hãy tưởng tượng rằng trước mỗi chuyến bay bạn sẽ lắp ráp một chiếc máy bay mới: bạn sẽ kết nối thân máy bay với cánh, đặt dây cáp điện, lắp động cơ và sau khi hạ cánh bạn sẽ gửi nó đến một bãi phế liệu … Bạn không thể bay xa như vậy,”Các nhà phát triển của Trung tâm Tên lửa Nhà nước nói với chúng tôi. Makeeva. “Nhưng đây chính xác là những gì chúng tôi làm mỗi khi đưa hàng hóa vào quỹ đạo. Tất nhiên, lý tưởng nhất là mọi người đều muốn có một "cỗ máy" một giai đoạn đáng tin cậy, không cần lắp ráp mà đến vũ trụ, tiếp nhiên liệu và phóng. Và sau đó nó quay trở lại và bắt đầu lại - và một lần nữa "…

Trên nửa đường

Nhìn chung, rocketry đã cố gắng hoàn thành một giai đoạn từ những dự án sớm nhất. Trong các bản phác thảo ban đầu của Tsiolkovsky, chỉ xuất hiện những cấu trúc như vậy. Ông đã từ bỏ ý tưởng này chỉ sau đó, nhận ra rằng các công nghệ của đầu thế kỷ XX không cho phép hiện thực hóa giải pháp đơn giản và thanh lịch này. Mối quan tâm đến các tàu sân bay một tầng lại nảy sinh vào những năm 1960, và các dự án như vậy đang được thực hiện ở cả hai phía của đại dương. Vào những năm 1970, Hoa Kỳ đang nghiên cứu tên lửa một tầng SASSTO, Phoenix và một số giải pháp dựa trên S-IVB, giai đoạn thứ ba của phương tiện phóng Saturn V, đưa các phi hành gia lên mặt trăng.

CORONA phải trở thành robot và nhận phần mềm thông minh cho hệ thống điều khiển. Phần mềm sẽ có thể cập nhật trực tiếp trong chuyến bay, và trong trường hợp khẩn cấp sẽ tự động "quay trở lại" phiên bản ổn định dự phòng.

Các kỹ sư tiếp tục: “Một lựa chọn như vậy sẽ không khác nhau về khả năng chuyên chở, động cơ không đủ tốt cho việc này, nhưng nó vẫn sẽ là một giai đoạn, khá có khả năng bay vào quỹ đạo. "Tất nhiên, về mặt kinh tế, nó sẽ hoàn toàn không hợp lý." Các công nghệ và vật liệu tổng hợp để làm việc với chúng chỉ mới xuất hiện trong những thập kỷ gần đây, giúp cho việc chế tạo tàu sân bay một giai đoạn và hơn nữa, có thể tái sử dụng. Giá thành của một tên lửa “đậm chất khoa học” như vậy sẽ cao hơn so với thiết kế truyền thống nhưng lại được “dàn trải” qua nhiều lần phóng nên giá phóng sẽ thấp hơn đáng kể so với mức thông thường.

Đó là khả năng tái sử dụng phương tiện là mục tiêu chính của các nhà phát triển ngày nay. Các hệ thống Tàu con thoi và Energia-Buran có thể tái sử dụng một phần. Giai đoạn đầu tiên được sử dụng lặp lại đang được thử nghiệm cho tên lửa SpaceX Falcon 9. SpaceX đã thực hiện một số lần hạ cánh thành công và vào cuối tháng 3, họ sẽ thử phóng lại một trong các giai đoạn đã bay vào vũ trụ. “Theo quan điểm của chúng tôi, cách tiếp cận này chỉ có thể làm mất uy tín của ý tưởng tạo ra một phương tiện truyền thông tái sử dụng thực sự,” Phòng thiết kế Makeev lưu ý. "Bạn vẫn phải phân loại một tên lửa như vậy sau mỗi chuyến bay, lắp đặt các kết nối và các thành phần dùng một lần mới … và chúng tôi quay trở lại nơi chúng tôi bắt đầu."

Các phương tiện có thể tái sử dụng hoàn toàn vẫn chỉ ở dạng dự án - ngoại trừ New Shepard của công ty Blue Origin của Mỹ. Cho đến nay, tên lửa có viên nang có người lái chỉ được thiết kế cho các chuyến bay dưới quỹ đạo của khách du lịch vũ trụ, nhưng hầu hết các giải pháp được tìm thấy trong trường hợp này có thể dễ dàng thu nhỏ cho một tàu sân bay có quỹ đạo nghiêm trọng hơn. Đại diện của công ty không giấu kế hoạch tạo ra một lựa chọn như vậy, trong đó các động cơ mạnh mẽ BE-3 và BE-4 đang được phát triển. Blue Origin khẳng định: “Với mỗi chuyến bay dưới quỹ đạo, chúng tôi tiếp cận quỹ đạo. Nhưng tàu sân bay đầy hứa hẹn của họ, New Glenn, cũng sẽ không thể tái sử dụng hoàn toàn: chỉ có khối đầu tiên, được tạo ra trên cơ sở thiết kế New Shepard đã được thử nghiệm, nên được sử dụng lại.

Vật liệu kháng

Vật liệu CFRP cần thiết cho tên lửa một tầng và có thể tái sử dụng hoàn toàn đã được sử dụng trong công nghệ hàng không vũ trụ từ những năm 1990. Cũng trong những năm đó, các kỹ sư tại McDonnell Douglas nhanh chóng bắt đầu thực hiện dự án Delta Clipper (DC-X) và ngày nay có thể tự hào về một tàu sân bay làm sẵn bằng sợi carbon. Thật không may, dưới áp lực từ Lockheed Martin, công việc về DC-X đã bị dừng lại, các công nghệ được chuyển giao cho NASA, nơi họ đã cố gắng sử dụng chúng cho dự án VentureStar không thành công, sau đó nhiều kỹ sư tham gia vào chủ đề này đã đến làm việc tại Blue Origin, và bản thân công ty đã được tiếp quản bởi Boeing.

Trong cùng những năm 1990, SRC Makeev của Nga bắt đầu quan tâm đến nhiệm vụ này. Trong nhiều năm kể từ đó, dự án KORONA ("Tên lửa vũ trụ, phương tiện vận chuyển [không gian] một tầng") đã trải qua một quá trình phát triển đáng chú ý, và các phiên bản trung gian cho thấy cách thiết kế và bố trí ngày càng trở nên đơn giản và hoàn hảo hơn. Dần dần, các nhà phát triển đã từ bỏ các yếu tố phức tạp - chẳng hạn như cánh hoặc bình nhiên liệu bên ngoài - và hiểu rằng vật liệu chính của thân xe phải là sợi carbon. Cùng với ngoại hình, cả trọng lượng và khả năng chuyên chở đều thay đổi. Một trong những nhà phát triển cho biết: “Sử dụng ngay cả những vật liệu hiện đại tốt nhất, không thể chế tạo tên lửa một tầng nặng dưới 60-70 tấn, trong khi trọng tải của nó sẽ rất nhỏ”. - Nhưng khi khối lượng cổ phiếu ban đầu tăng lên, cấu trúc (lên đến một giới hạn nhất định) chiếm tỷ trọng ngày càng nhỏ, và việc sử dụng nó ngày càng có lợi hơn. Đối với một tên lửa quỹ đạo, mức tối ưu này là khoảng 160-170 tấn, bắt đầu từ quy mô này, việc sử dụng nó đã có thể được chứng minh."

Trong phiên bản mới nhất của dự án KORONA, khối lượng phóng thậm chí còn cao hơn và đạt tới 300 tấn. Một tên lửa một tầng lớn như vậy đòi hỏi phải sử dụng động cơ phản lực đẩy chất lỏng hiệu quả cao hoạt động bằng hydro và oxy. Không giống như các động cơ ở các giai đoạn riêng biệt, động cơ tên lửa đẩy chất lỏng như vậy phải "có thể" hoạt động trong các điều kiện rất khác nhau và ở các độ cao khác nhau, bao gồm cả khi cất cánh và bay bên ngoài bầu khí quyển. Các nhà thiết kế của Makeyevka giải thích: “Một động cơ đẩy chất lỏng thông thường với vòi phun Laval chỉ có hiệu quả ở một số độ cao nhất định,” các nhà thiết kế của Makeyevka giải thích, “do đó chúng tôi nảy sinh nhu cầu sử dụng động cơ tên lửa hình nêm.” Các tia khí trong các động cơ như vậy sẽ tự động điều chỉnh theo áp suất “quá mức”, và chúng vẫn hoạt động hiệu quả ở cả bề mặt và ở tầng bình lưu.

Container trọng tải

Cho đến nay, trên thế giới vẫn chưa có động cơ làm việc kiểu này, mặc dù chúng đã và đang được xử lý ở cả nước ta và Mỹ. Vào những năm 1960, các kỹ sư của Rocketdyne đã thử nghiệm những động cơ như vậy trên giá đỡ, nhưng chúng không được lắp đặt trên tên lửa. CROWN nên được trang bị phiên bản mô-đun, trong đó vòi phun khí hình nêm là phần tử duy nhất chưa có nguyên mẫu và chưa được thử nghiệm. Ngoài ra còn có tất cả các công nghệ sản xuất các bộ phận composite ở Nga - chúng đã được phát triển và sử dụng thành công, chẳng hạn như tại Viện Vật liệu Hàng không Toàn Nga (VIAM) và tại Công ty Cổ phần Kompozit.

Phù hợp theo chiều dọc

Khi bay trong bầu khí quyển, kết cấu chịu lực bằng sợi carbon KORONA sẽ được bao phủ bởi các tấm gạch chắn nhiệt do VIAM phát triển cho Burans và từ đó đã được cải tiến đáng kể.“Tải nhiệt chính trên tên lửa của chúng tôi tập trung ở“mũi”của nó, nơi các phần tử bảo vệ nhiệt ở nhiệt độ cao được sử dụng, - các nhà thiết kế giải thích. - Trong trường hợp này, các mặt mở rộng của tên lửa có đường kính lớn hơn và ở góc nhọn so với luồng không khí. Tải nhiệt lên chúng ít hơn, cho phép sử dụng các vật liệu nhẹ hơn. Kết quả là chúng tôi đã tiết kiệm được hơn 1,5 tấn, khối lượng của bộ phận nhiệt cao không vượt quá 6% tổng khối lượng của bộ phận bảo vệ nhiệt. Để so sánh, trong Con thoi nó chiếm hơn 20%."

Thiết kế thon gọn bóng bẩy của phương tiện truyền thông là kết quả của vô số lần thử và sai. Theo các nhà phát triển, nếu bạn chỉ lấy các đặc điểm chính của một tàu sân bay một tầng có thể tái sử dụng, bạn sẽ phải xem xét khoảng 16.000 sự kết hợp của chúng. Hàng trăm người trong số họ đã được các nhà thiết kế đánh giá cao khi thực hiện dự án. “Chúng tôi quyết định từ bỏ đôi cánh, như trên Buran hoặc Tàu con thoi,” họ nói. - Nhìn chung, ở tầng trên của bầu khí quyển, chúng chỉ gây nhiễu cho tàu vũ trụ. Những con tàu như vậy đi vào bầu khí quyển với tốc độ siêu âm không hơn gì một chiếc "sắt", và chỉ ở tốc độ siêu âm, chúng mới chuyển sang bay ngang và có thể dựa vào khí động học của cánh một cách chính xác."

Hình dạng nón đối xứng trục không chỉ cho phép bảo vệ nhiệt dễ dàng hơn mà còn có tính khí động học tốt khi lái xe ở tốc độ rất cao. Khi đã ở các tầng trên của khí quyển, tên lửa nhận được lực nâng, cho phép nó không chỉ hãm lại ở đây mà còn có thể cơ động. Điều này sẽ giúp bạn có thể thực hiện các thao tác cần thiết ở độ cao lớn, hướng đến bãi hạ cánh và trong chuyến bay trong tương lai, bạn chỉ cần hoàn thành phanh, điều chỉnh hành trình và quay đầu xuống phía sau, sử dụng chế độ lái yếu. động cơ.

Nhớ lại cả Falcon 9 và New Shepard: không có gì là không thể hoặc thậm chí là bất thường khi hạ cánh thẳng đứng ngày nay. Đồng thời, nó có thể đi qua với ít lực hơn đáng kể trong quá trình xây dựng và vận hành đường băng - đường băng mà các tàu con thoi và Buran hạ cánh phải có chiều dài vài km để có thể hãm phương tiện tại tốc độ hàng trăm km một giờ. "Về nguyên tắc, CROWN thậm chí có thể cất cánh từ một giàn khoan ngoài khơi và hạ cánh trên đó", một trong những tác giả của dự án cho biết thêm, "độ chính xác hạ cánh cuối cùng sẽ là khoảng 10 m, tên lửa được hạ xuống bộ giảm xóc khí nén có thể thu vào. Tất cả những gì còn lại là thực hiện chẩn đoán, tiếp nhiên liệu, đặt trọng tải mới - và bạn có thể bay trở lại.

KORONA vẫn đang được thực hiện trong điều kiện không có kinh phí, vì vậy các nhà phát triển của Phòng thiết kế Makeev đã cố gắng chỉ đi đến giai đoạn cuối cùng của thiết kế dự thảo. “Chúng tôi đã vượt qua giai đoạn này gần như hoàn toàn và độc lập, không có sự hỗ trợ từ bên ngoài. Chúng tôi đã làm mọi thứ mà lẽ ra có thể làm được, - các nhà thiết kế nói. - Chúng tôi biết những gì, ở đâu và khi nào nên được sản xuất. Bây giờ chúng tôi cần chuyển sang thiết kế thực tế, sản xuất và phát triển các đơn vị chủ chốt, và điều này đòi hỏi tiền bạc, vì vậy bây giờ mọi thứ phụ thuộc vào họ."

Bắt đầu bị trì hoãn

Tên lửa CFRP chỉ dự kiến một vụ phóng quy mô lớn; sau khi nhận được sự hỗ trợ cần thiết, các nhà thiết kế đã sẵn sàng bắt đầu các chuyến bay thử nghiệm sau sáu năm và trong bảy đến tám năm nữa - để bắt đầu vận hành thử nghiệm những tên lửa đầu tiên. Họ ước tính rằng điều này cần ít hơn 2 tỷ đô la - không nhiều theo tiêu chuẩn khoa học tên lửa. Đồng thời, lợi tức đầu tư có thể được mong đợi sau bảy năm sử dụng tên lửa, nếu số lần phóng thương mại vẫn ở mức hiện tại hoặc thậm chí trong 1,5 năm - nếu nó tăng với tốc độ dự kiến.

Hơn nữa, sự hiện diện của các động cơ điều động, thiết bị điểm hẹn và lắp ghép trên tên lửa khiến nó có thể được tính vào các kế hoạch phóng nhiều lần phức tạp. Bằng cách tiêu tốn nhiên liệu không phải khi hạ cánh, nhưng khi thêm trọng tải, bạn có thể đưa nó lên tới khối lượng hơn 11 tấn. Sau đó, CROWN sẽ cập bến với chiếc thứ hai, "tàu chở dầu", sẽ đổ đầy nhiên liệu cần thiết vào các thùng chứa của nó để quay trở lại. Tuy nhiên, điều quan trọng hơn nhiều là khả năng tái sử dụng, điều này lần đầu tiên sẽ giúp chúng ta giảm bớt nhu cầu thu thập phương tiện truyền thông trước mỗi lần ra mắt - và mất nó sau mỗi lần ra mắt. Chỉ có cách tiếp cận như vậy mới có thể đảm bảo tạo ra luồng giao thông hai chiều ổn định giữa Trái đất và quỹ đạo, đồng thời khởi đầu cho việc khai thác thực sự, tích cực, quy mô lớn vào không gian gần Trái đất.

Trong khi đó, CROWN vẫn còn trong tình trạng lấp lửng, công việc trên New Shepard vẫn tiếp tục. Một dự án tương tự của Nhật Bản RVT cũng đang được phát triển. Các nhà phát triển Nga có thể đơn giản là không có đủ hỗ trợ cho bước đột phá. Nếu bạn có vài tỷ để dư, đây là khoản đầu tư tốt hơn nhiều so với du thuyền lớn nhất và sang trọng nhất trên thế giới.