Espacio ruso: el proyecto "Corona" y otro desarrollo GRTS Makeeva
Se considera que las tecnologías siempre se desarrollan gradualmente, de lo simple a lo complejo, de la cuchilla de piedra al acero, y solo entonces a una fresadora programable. Sin embargo, el destino del cohete espacial no fue tan directo. La creación de cohetes sencillos y fiables de una sola etapa durante mucho tiempo siguió siendo inaccesible para los diseñadores. Se requieren tales soluciones, que no podrían ofrecer ningún material científico o motor. Hasta ahora, los cohetes portadores permanecen en varias etapas y son desechables: se utiliza un sistema increíblemente complejo y costoso en minutos, después de lo cual se tira.
"Imagínese que antes de cada vuelo armaría un nuevo avión: conecte el fuselaje con alas, coloque cables eléctricos, instale motores y, después de aterrizar, envíelo al basurero ... No puede volar", nos dijeron los desarrolladores del State Rocket Center. Makeev. "Pero eso es exactamente lo que hacemos cada vez, enviando carga a la órbita". Por supuesto, idealmente, a todos les gustaría tener un "automóvil" confiable de una sola etapa que no requiera ensamblaje, pero que llegue al cosmódromo, reabastece de combustible y comienza. Y luego vuelve y comienza de nuevo, y más "...
A mitad de camino
En general, la tecnología de cohetes ha tratado de hacer un paso desde los primeros proyectos. En los bocetos iniciales de Tsiolkovsky aparecen exactamente tales construcciones. Abandonó esta idea solo más tarde, al darse cuenta de que las tecnologías de principios del siglo XX no permiten realizar esta solución simple y elegante. Una vez más, el interés en los operadores de una sola etapa ya surgió en el 1960-x, y dichos proyectos se desarrollaron en ambos lados del océano. By the 1970-m en los Estados Unidos trabajó en cohetes de una sola etapa SASSTO, Phoenix y varias soluciones basadas en S-IVB, la tercera etapa del Saturn V PH, que entregó astronautas a la luna.
CROWN debería volverse robótico y obtener software inteligente para el sistema de control. El software se puede actualizar directamente en vuelo y, en una situación de emergencia, automáticamente "retrocede" a la versión estable de respaldo.
"La capacidad de carga no sería una opción de este tipo, los motores para esto no serían lo suficientemente buenos, pero aún así sería un paso bastante capaz de volar a la órbita", continúan los ingenieros. "Por supuesto, económicamente sería completamente injustificado". Solo en las últimas décadas han aparecido los materiales compuestos y las tecnologías para trabajar con ellos, lo que permite hacer que el operador sea un paso y, además, reutilizable. El costo de tal cohete de "alta tecnología" será más alto que el diseño tradicional, pero estará "manchado" en muchos inicios, por lo que el precio de lanzamiento será mucho más bajo que el nivel habitual.
Es un medio reutilizable, hoy en día el objetivo principal de los desarrolladores. Los sistemas Space Shuttle y Energiya-Buran fueron parcialmente reutilizables. Se está desarrollando el uso repetido de la primera etapa para los cohetes SpaceX Falcon 9. SpaceX ya ha realizado varios aterrizajes exitosos y, a fines de marzo, intentarán lanzar uno de los pasos que volaron al espacio nuevamente. "En nuestra opinión, este enfoque solo puede desacreditar la idea de crear una empresa real reutilizable", señaló Makeev Design Bureau. "Tal cohete aún tiene que resolverse después de cada vuelo, ensamblar comunicaciones y nuevos componentes únicos ... y de nuevo volvemos a lo que comenzamos".
Los medios totalmente reutilizables todavía están en forma de proyectos, con la excepción de New Shepard de la compañía estadounidense Blue Origin. Hasta ahora, el cohete con la cápsula tripulada está diseñado solo para vuelos suborbitales de turistas espaciales, pero la mayoría de las soluciones encontradas durante este período también pueden escalarse para un portador orbital más serio. Los representantes de la compañía no ocultan los planes para crear una opción para la cual ya se están desarrollando potentes motores BE-3 y BE-4. "Con cada vuelo suborbital, nos acercamos a la órbita", aseguró en Blue Origin. Pero su prometedor portador de New Glenn también será reutilizable de forma incompleta: solo el primer bloque, creado sobre la base de la construcción ya probada del New Shepard, debe reutilizarse.
Resistencia material
Los materiales de fibra de carbono necesarios para los cohetes de una sola etapa totalmente reutilizables se utilizan en ingeniería aeroespacial desde los 1990. En los mismos años, los ingenieros de McDonnell Douglas rápidamente comenzaron a implementar el proyecto Delta Clipper (DC-X) y hoy pueden presumir de un portador de fibra de carbono listo para usar y volador. Desafortunadamente, bajo la presión de Lockheed Martin, el trabajo en el DC-X se suspendió, la tecnología se transfirió a la NASA, donde se intentó solicitar el fallido proyecto VentureStar, después de lo cual muchos ingenieros involucrados en este tema fueron a trabajar a Blue Origin, y la compañía fue absorbida por Boeing.
En el mismo 1990-e este interés también estaba interesado en el ruso SRC Makeyev. A lo largo de los años transcurridos desde entonces, el proyecto CORONA ("Vehículos espaciales de un solo uso, vehículos [[espacio]] portadores de una sola etapa") ha experimentado una notable evolución, y las versiones intermedias muestran cómo la estructura y el diseño se volvieron cada vez más simples y perfectos. Poco a poco, los desarrolladores abandonaron los elementos complejos, como las alas o los tanques de combustible externos, y se dieron cuenta de que la fibra de carbono debía ser el material principal del cuerpo. Junto con la apariencia, tanto la masa como la capacidad de carga cambiaron. "Al usar incluso los mejores materiales modernos, es imposible construir un cohete de una sola etapa que pese menos que 60 - 70 t, mientras que su carga útil será bastante pequeña", dice un desarrollador. “Pero a medida que la masa inicial crece, la estructura (hasta cierto límite) tiene una proporción cada vez menor, y cada vez es más rentable usarla. Para un cohete orbital, este óptimo es aproximadamente 160 - 170 t, a partir de esta escala su uso ya puede estar justificado ".
En la versión más reciente del proyecto CORONA, la masa inicial es aún mayor y se acerca al 300 T. Este gran cohete de una sola etapa requiere el uso de un motor a reacción de propulsor líquido altamente eficiente impulsado por hidrógeno y oxígeno. A diferencia de los motores en ciertas etapas, tal motor de cohete debe poder operar en condiciones muy diferentes y en diferentes altitudes, incluido el despegue y el vuelo fuera de la atmósfera. "Un motor líquido convencional con boquillas Laval es efectivo solo en ciertos rangos de altura", explican los constructores de Makeevsky, "por lo que llegamos a la necesidad de usar una cuña de aire LRE". El chorro de gas en tales motores se adapta a la presión "por la borda", y conservan su eficiencia tanto en la superficie como en la alta estratosfera.
Contenedor de carga
Hasta el momento no existe un motor de este tipo en funcionamiento en el mundo, aunque se han estado y se están manejando tanto en nuestro país como en USA. En la década de 1960, los ingenieros de Rocketdyne probaron dichos motores en un soporte, pero no llegaron a instalarlos en misiles. CROWN debe estar equipado con una versión modular, en la que la boquilla de aire en cuña es el único elemento que aún no tiene un prototipo y no ha sido probado. Rusia también tiene todas las tecnologías para la producción de piezas compuestas: se han desarrollado y se aplican con éxito, por ejemplo, en el Instituto de toda Rusia. aviación materiales (VIAM) y JSC "Composite".
Aterrizaje vertical
Al volar en la atmósfera, la estructura de energía de fibra de carbono de la CORONA cubrirá las placas de protección contra el calor desarrolladas en VIAM para Burans y desde entonces se ha mejorado significativamente. "La principal carga térmica en nuestro cohete se concentra en su" nariz ", donde se utilizan elementos de protección térmica de alta temperatura, explican los diseñadores. - Al mismo tiempo, los lados en expansión del cohete tienen un diámetro mayor y están en un ángulo agudo con respecto al flujo de aire. La carga de temperatura en ellos es menor, lo que permite el uso de materiales más ligeros. Como resultado, ahorramos más de 1,5 t. La masa de la parte de alta temperatura no excede el 6% de la masa total de protección térmica. A modo de comparación, el "Transbordador" representa más del 20% ".
El diseño elegante y cónico del transportador es el resultado de innumerables pruebas y errores. De acuerdo con los desarrolladores, si solo toma las características clave de un posible portador reutilizable de una sola etapa, deberá considerar el orden de 16 000 y sus combinaciones. Los diseñadores han estimado cientos de ellos mientras trabajaban en el proyecto. "Decidimos renunciar a las alas, como en el Buran o el transbordador espacial", dicen. - En general, en las capas superiores de la atmósfera solo interfieren con la nave. Tales barcos entran a la atmósfera con un sonido hipersónico mejor que el "hierro", y solo a velocidades supersónicas se mueven a un vuelo horizontal y pueden confiar adecuadamente en la aerodinámica de las alas ".
La forma de cono axialmente simétrica no solo permite facilitar la protección contra el calor, sino que también tiene una buena aerodinámica cuando se conduce a velocidades muy altas. Ya en la atmósfera superior, un cohete recibe una fuerza de elevación, lo que le permite no solo disminuir la velocidad aquí, sino también maniobrar. Esto, a su vez, hace posible realizar las maniobras necesarias a gran altura, dirigiéndose hacia el lugar de aterrizaje, y en el vuelo posterior solo queda para completar el frenado, corregir el rumbo y bajar la popa utilizando motores de maniobra débiles.
Recuerde tanto el Falcon 9 como el New Shepard: en un aterrizaje vertical, nada es imposible o incluso inusual hoy. Al mismo tiempo, permite sobrevivir con fuerzas significativamente menores durante la construcción y operación de la pista, el carril en el que se suponía que los mismos Shuttles y Buran tenían una longitud de varios kilómetros para frenar el vehículo a una velocidad de cientos de kilómetros por hora. "La CORONA, en principio, incluso puede despegar de una plataforma costa afuera y aterrizar en ella", agrega uno de los autores del proyecto, "nuestra precisión de aterrizaje final será de 10 m, el cohete cae sobre amortiguadores neumáticos retráctiles". Solo queda para diagnosticar, repostar, poner una nueva carga útil, y puede volar de nuevo.
CROWN aún se está implementando en ausencia de financiamiento, por lo que los desarrolladores de Makeev Design Bureau solo lograron llegar a las etapas finales del borrador del diseño. "Hemos superado esta etapa casi por completo y sin ayuda externa. Todo lo que se pudo hacer, ya lo hemos hecho, dicen los diseñadores. - Sabemos qué, dónde y cuándo ser producidos. Ahora tenemos que pasar al diseño práctico, la producción y el desarrollo de conjuntos clave, y esto requiere dinero, así que ahora todo depende de ellos ".
Inicio retrasado
El cohete de fibra de carbono solo espera un lanzamiento a gran escala, con la recepción del apoyo necesario, los diseñadores están listos para comenzar las pruebas de vuelo después de seis años, y después de siete u ocho para comenzar la operación de prueba de los primeros cohetes. Según sus estimaciones, esto requiere una cantidad de menos de $ 2 mil millones, según los estándares de producción de cohetes, bastante. En este caso, se puede esperar el retorno de la inversión después de siete años de uso del cohete, si el número de lanzamientos comerciales se mantiene en el nivel actual, o incluso durante el año 1,5, si crece a una tasa predecible.
Además, la presencia en el cohete de los motores de maniobra, los medios de aproximación y el acoplamiento le permiten contar con complejos esquemas de lanzamiento múltiple. Después de gastar el combustible no en el aterrizaje, sino en agregar la carga útil, puede llevarlo a una masa superior a 11 m. Luego, la CORONA se acoplará con el segundo "petrolero", que llenará sus tanques con el combustible adicional necesario para el retorno. Pero aún así, la reutilización es más importante, lo que por primera vez nos evitará tener que recolectar el transportista antes de cada lanzamiento, y perderlo después de cada lanzamiento. Solo un enfoque de este tipo puede garantizar la creación de un tráfico de carga bilateral estable entre la Tierra y la órbita, y al mismo tiempo el inicio de una explotación real, activa y en gran escala del espacio cercano a la Tierra.
Mientras tanto, la CORONA permanece en el limbo, el trabajo en New Shepard continúa. También se está desarrollando un proyecto japonés similar a RVT. Los desarrolladores rusos pueden simplemente no tener suficiente soporte para un gran avance. Si tiene unos cuantos miles de millones adicionales, esta será una inversión mucho mejor que incluso el yate más grande y más lujoso del mundo.
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