Booster reutilizable "corona"
El espacio se lanza hoy
Hoy en día, podemos decir con seguridad que, en algún momento, Roskosmos se perdió el tema de los cohetes reutilizables, teniendo en sus manos desarrollos y proyectos que se adelantaron a otros países por varios años. Todos los proyectos de cohetes reutilizables rusos nunca se completaron, no se implementaron en el metal. Por ejemplo, el cohete portador de corona de una sola etapa reutilizable desarrollado de 1992 a 2012 nunca llegó a su conclusión lógica. El resultado de este error de cálculo en el desarrollo que estamos viendo hoy. Rusia perdió seriamente el mercado de lanzamientos espaciales comerciales con la llegada del cohete Falcon 9 estadounidense y sus variedades, y también fue muy inferior a la cantidad de lanzamientos espaciales completados en el año. Tras los resultados de 2018, Roskosmos informó sobre los lanzamientos espaciales de 20 (uno que no tuvo éxito), mientras que en abril 2018 del año, en una entrevista con TASS, el director de Roscosmos, Igor Komarov, nos dijo que los lanzamientos espaciales de 30 están programados para completarse. El líder del año pasado fue China, que llevó a cabo los lanzamientos espaciales 39 (uno que no tuvo éxito), seguido por los Estados Unidos con el lanzamiento espacial 31 (no los que no tuvieron éxito).
Hablando de vuelos espaciales modernos, es necesario comprender que en el precio total del lanzamiento de un vehículo de lanzamiento (PH) moderno, la principal partida de gastos es el cohete en sí. Su casco, sus tanques de combustible, sus motores, todo esto vuela para siempre, se quema en densas capas de la atmósfera, está claro que estos desechos irrecuperables hacen que cualquier lanzamiento del vehículo de lanzamiento sea un placer muy costoso. No el mantenimiento de los centros espaciales, ni el combustible, ni el trabajo de instalación antes del lanzamiento, sino el precio del vehículo de lanzamiento en sí mismo es el principal gasto. Un producto tecnológico muy sofisticado de pensamiento de ingeniería se usa en minutos, después de lo cual se destruye completamente. Naturalmente, esto es cierto para los misiles desechables. La idea de utilizar un cohete de retorno se ruega por sí misma, como una posibilidad real de reducir el costo de cada lanzamiento espacial. En este caso, incluso el retorno de solo la primera etapa hace que el costo de cada corrida sea menor.
Fue un esquema similar que fue realizado por el multimillonario estadounidense Ilon Musk, que hizo el regreso de la primera etapa de un pesado refuerzo de Falcon 9. Mientras que la primera etapa de estos misiles se devuelve parcialmente, algunos intentos de aterrizaje terminan en falla, pero el número de aterrizajes sin éxito se redujo a casi cero en 2017 y 2018. Por ejemplo, el año pasado en 10, los primeros touchdowns exitosos, solo hubo un contratiempo. En este nuevo año, la compañía SpaceX también abrió el exitoso aterrizaje de la primera etapa. 11 de enero 2019, la primera etapa del cohete Falcon 9, aterrizó con éxito en una plataforma flotante; además, se reutilizó, y anteriormente también lanzó el satélite de comunicación Telestar 18V en septiembre 2018. En la actualidad, tales primeros pasos retornables son un hecho realizado. Pero cuando los representantes de la compañía espacial privada estadounidense solo hablaron sobre su proyecto, muchos expertos dudaron de la posibilidad de su implementación exitosa.
En la realidad actual, la primera etapa del cohete Falcon 9 para trabajo pesado en algunos lanzamientos se puede usar en la versión de retorno. Al tomar la segunda etapa del cohete a una altura suficiente, se separa de él a una altura del orden de 70 kilómetros, el desacoplamiento ocurre aproximadamente 2,5 minutos después del lanzamiento del cohete portador (el tiempo depende de las tareas de lanzamiento específicas). Después de la separación del PH, la primera etapa, utilizando el sistema de orientación establecido, realiza una pequeña maniobra, alejándose de las llamas de los motores operativos de la segunda etapa, y hace que los motores avancen en preparación para las tres maniobras de frenado básicas. Al aterrizar para frenar la primera etapa utiliza sus propios motores. Vale la pena señalar que la etapa de retorno impone sus limitaciones en el lanzamiento. Por ejemplo, la carga útil máxima del cohete Falcon 9 se reduce en un porcentaje de 30-40. Esto se debe a la necesidad de reservar combustible para el frenado y el aterrizaje posterior, así como una masa adicional de equipo de aterrizaje instalado (volantes de rejilla, soportes de aterrizaje, elementos del sistema de control, etc.).
Los éxitos de los estadounidenses y la gran serie de lanzamientos exitosos no pasaron desapercibidos en el mundo, lo que provocó una serie de declaraciones sobre el inicio de proyectos que utilizan cohetes reutilizables parciales, incluidos los aceleradores laterales que regresan y la primera etapa de regreso a la Tierra. Representantes de "Roskosmos" también hablaron sobre este asunto. La compañía comenzó a hablar sobre la reanudación del trabajo sobre la creación de cohetes reutilizables en Rusia a principios de 2017.
Cohete reutilizable "Corona" y proyectos anteriores.
Vale la pena señalar que la idea de los misiles reutilizables se realizó en la Unión Soviética. Después del colapso del país, este tema no ha desaparecido, el trabajo en esta dirección continuó. Comenzaron mucho antes de que Ilon Musk hablara de eso. Por ejemplo, las unidades de la primera etapa del súper pesado cohete soviético "Energía" deberían haber sido devueltos, fue necesario por razones económicas y para realizar la vida útil de los motores RD-170 diseñados para al menos los vuelos 10.
Menos conocido es el proyecto del vehículo de lanzamiento Rossiyanka, que fue desarrollado por especialistas del Centro de cohetes estatal Academic V. P. Makeev. Esta empresa es conocida principalmente por sus desarrollos militares. Por ejemplo, fue aquí donde se crearon la mayoría de los misiles balísticos domésticos diseñados para armar submarinos, incluidos los que actualmente están armados con submarinos. flota Misiles balísticos rusos R-29RMU "Sineva".
Según el borrador, Rossiyanka era un vehículo de lanzamiento de dos etapas, cuya primera etapa fue reutilizable. Esencialmente la misma idea que los ingenieros de SpaceX, pero varios años antes. Se suponía que el cohete llevaría toneladas de carga a una órbita de referencia baja de 21,5, cerca del cohete Falcon 9. El retorno de la primera etapa debería haber tenido lugar a lo largo de una trayectoria balística debido a la reactivación de los motores de etapa estándar. Si es necesario, la capacidad del cohete se podría llevar a 35 toneladas. 12 de diciembre El Centro de Investigación Estatal de Makeev presentó su nuevo cohete en la competencia Roscosmos para el desarrollo de vehículos de lanzamiento reutilizables, pero la orden para crear dichos dispositivos fue para los competidores del Centro Estatal de Investigación y Producción del Espacio de Khrunichev con el proyecto Baikal-Angara. Lo más probable es que los especialistas del SRC Makeyev tuvieran suficiente competencia para implementar su proyecto, pero sin la suficiente atención y financiamiento, esto era imposible.
El proyecto "Baikal-Angara" era aún más ambicioso, era una versión de avión del regreso a la Tierra de la primera etapa. Se planeó que después de alcanzar la altura establecida del compartimiento, se abriera un ala especial en la primera etapa y luego volaría a lo largo de un avión con un aterrizaje en un campo de aviación convencional con tren de aterrizaje. Sin embargo, tal sistema en sí mismo no solo es muy complicado, sino también costoso. Sus méritos innegables podrían atribuirse al hecho de que podía regresar desde una distancia mayor. Desafortunadamente, el proyecto nunca se implementó, a veces se recuerda, pero no más.
Ahora el mundo ya está pensando en vehículos de lanzamiento totalmente devueltos. Ilon Mask anunció el proyecto Big Falcon Rocket. Tal cohete debería recibir una arquitectura de dos etapas, no característica de la astronáutica moderna, su segunda etapa es integral con la nave espacial, que puede ser tanto de carga como de pasajeros. Está previsto que la primera etapa del Superheavy regrese a la Tierra, realizando un aterrizaje vertical en el cosmódromo mediante el uso de sus motores, esta tecnología ya ha sido bien desarrollada por los ingenieros de SpaceX. La segunda etapa del cohete junto con la nave espacial (de hecho, esta es una nave espacial con diferentes propósitos), que se llamó Starship, entrará en la órbita de la Tierra. En la segunda etapa, también quedará suficiente combustible para frenar en capas densas de la atmósfera después de aterrizar la misión espacial y aterrizar en una plataforma marítima.
Cabe señalar que en una idea similar, SpaceX tampoco tiene una palma. En Rusia, el proyecto de vehículo de lanzamiento reutilizable se ha desarrollado desde el 1990-s. Y de nuevo, trabajaron en el proyecto en el State Rocket Center que lleva el nombre del académico V.P. Makeev. El proyecto de un cohete ruso reutilizable tiene el bello nombre "Corona". Roscosmos recordó este proyecto en 2017, seguido de varios comentarios sobre la reanudación de este proyecto. Por ejemplo, en enero, 2018 apareció en Rossiyskaya Gazeta. noticias que Rusia ha reanudado el trabajo en un cohete espacial reutilizable. Era solo sobre el cohete "Crown".
A diferencia del cohete Falcon-9 estadounidense, la Corona rusa no tiene etapas desmontables, de hecho, es una única nave espacial de despegue y aterrizaje suave. Según Vladimir Degtyar, diseñador general del Centro Makeyev, este proyecto debería abrir el camino a la implementación de vuelos tripulados interplanetarios de largo alcance. Está previsto que el principal material estructural del nuevo cohete ruso sea la fibra de carbono. Al mismo tiempo, la "Corona" está destinada al lanzamiento de naves espaciales en órbitas bajas cercanas a la Tierra con una altura de 200 a 500 kilómetros. El peso de lanzamiento del PH es de aproximadamente 300 toneladas. Masa de la carga útil de salida de 7 a 12 toneladas. El despegue y el aterrizaje de la Corona deben llevarse a cabo utilizando instalaciones de lanzamiento simplificadas; además, se está elaborando la opción de lanzar un cohete reutilizable desde plataformas marinas. Para el despegue y el aterrizaje, el nuevo PH podrá utilizar la misma plataforma. La preparación del cohete para el próximo lanzamiento es solo de un día.
Cabe señalar que los materiales de fibra de carbono necesarios para crear cohetes de una sola etapa y reutilizables se han utilizado en la ingeniería aeroespacial desde los 90-s del siglo pasado. Desde el comienzo de las 1990-s, el proyecto Crown ha recorrido un largo camino de desarrollo y ha evolucionado significativamente, es necesario decir que inicialmente fue un cohete único. En el proceso de evolución, el diseño del futuro cohete se volvió más simple y más perfecto. Gradualmente, los desarrolladores del cohete abandonaron el uso de las alas y los tanques de combustible externos, habiendo llegado a comprender que el material principal del cuerpo del cohete reutilizable será la fibra de carbono.
En la versión más reciente hasta la fecha del cohete reutilizable "Crown", su masa está cerca de la marca en toneladas 280-290. Un vehículo de lanzamiento tan grande de una sola etapa requiere un motor de cohete propulsor líquido altamente eficiente que funcione con hidrógeno y oxígeno. A diferencia de los motores de cohetes, que se colocan en etapas separadas, tales motores de cohetes deben operar de manera efectiva en diferentes condiciones y en diferentes altitudes, incluido el despegue y el vuelo fuera de la atmósfera terrestre. "Un LRE ordinario con boquillas Laval es efectivo solo en ciertos rangos de alturas", dicen los constructores de Makeevsky, "por esta razón hemos llegado a la necesidad de utilizar un motor líquido de cuña-aire". El chorro de gas en tales motores de cohetes se adapta a la presión "por la borda", además, conservan su efectividad tanto en la superficie de la Tierra como lo suficientemente alta en la estratosfera.
Sin embargo, hasta ahora en el mundo simplemente no existe un motor que funcione de este tipo, aunque se desarrollaron activamente en la URSS y los EE. UU. Los expertos creen que el vehículo de lanzamiento reutilizable Korona debería estar equipado con una versión de motor modular, en la que la boquilla de aire de cuña es el único elemento que actualmente no tiene un prototipo y no ha sido probado en la práctica. Al mismo tiempo, Rusia tiene sus propios tecnólogos en la producción de materiales compuestos modernos y partes de ellos. Su desarrollo y aplicación están comprometidos con bastante éxito, por ejemplo, en JSC "Composite" y el Instituto de toda Rusia. aviación materiales (VIAM).
Para un vuelo seguro en la atmósfera de la Tierra, la estructura de poder de la fibra de carbono Corona estará protegida por baldosas de protección contra el calor, que se habían desarrollado anteriormente en VIAM para la nave espacial Buran y desde entonces han experimentado un importante camino de desarrollo. "La carga térmica principal en la Corona se concentrará en su nariz, donde se aplican los elementos de protección térmica de alta temperatura", señalan los diseñadores. - Al mismo tiempo, los lados en expansión del vehículo de lanzamiento tienen un diámetro mayor y están ubicados en un ángulo agudo con respecto al flujo de aire. La carga de temperatura en estos elementos es menor, y esto, a su vez, nos permite utilizar materiales más livianos. El resultado es un ahorro del orden de 1,5 de toneladas de peso. La masa de la parte de alta temperatura del cohete no excede el 6 de la Corona en porcentaje de la masa total de protección térmica. A modo de comparación, en los transbordadores espaciales "Shuttle" representó más del 20 por ciento ".
La elegante forma de cono de un cohete reutilizable fue el resultado de una gran cantidad de prueba y error. Según los desarrolladores, trabajando en el proyecto, consideraron y evaluaron cientos de opciones diferentes. "Decidimos abandonar completamente las alas, como el transbordador espacial o en el barco Buran", dicen los desarrolladores. - En general, cuando se encuentran en las capas superiores de la atmósfera, las alas de las naves solo interfieren. Estas naves espaciales no entran en la atmósfera a una velocidad hipersónica mejor que la del "hierro", y solo a la velocidad supersónica avanzan en vuelo horizontal, después de lo cual pueden confiar plenamente en la aerodinámica de las alas ".
La forma cónica asimétrica del cohete permite no solo facilitar la protección contra el calor, sino también proporcionarle buenas cualidades aerodinámicas cuando se conduce a altas velocidades de vuelo. Ya estando en las capas superiores de la atmósfera, la "Corona" recibe una fuerza de elevación que permite que el cohete no solo disminuya la velocidad, sino que también realice maniobras. Esto permite a la RN maniobrar a gran altura cuando vuela hacia el lugar de aterrizaje, en el futuro solo queda para completar el proceso de frenado, ajustar su curso, girar severamente con pequeños motores de derivación y aterrizar en la Tierra.
El problema del proyecto es que Corona todavía se está desarrollando en las condiciones de financiación insuficiente o su completa ausencia. En la actualidad, solo se ha completado un proyecto de proyecto sobre este tema en el Centro de Investigación Estatal de Makeev. De acuerdo con los datos obtenidos durante las lecturas académicas de la XLII en astronáutica en 2018, se llevaron a cabo estudios de factibilidad y se elaboró un calendario efectivo de desarrollo de cohetes para el proyecto de lanzamiento de Corona. Se investigaron las condiciones necesarias para la creación de un nuevo vehículo de lanzamiento y se analizaron las perspectivas y los resultados tanto del proceso de desarrollo como de la operación futura del nuevo cohete.
Después de un aumento en las noticias sobre el proyecto Crown en 2017 y 2018, reaparece el silencio ... Las perspectivas del proyecto y su implementación aún no están claras. Mientras tanto, SpaceX ya se está preparando para presentar una muestra de prueba de su nuevo Big Falcon Rocket (BFR) en el verano de 2019. Desde la creación de una muestra de prueba hasta un cohete completo, que confirmará su confiabilidad y rendimiento, puede llevar muchos años más, pero por ahora podemos decir: Ilon Mask y su compañía están haciendo cosas que puedes ver y tocar con tus manos. Al mismo tiempo, según el Primer Ministro Dmitry Medvedev, Roskosmos debería terminar con un proyecto y hablar sobre hacia dónde volaremos en el futuro. Necesito hablar menos y hacer más.
Fuentes de información:
https://iz.ru
https://www.popmech.ru
http://www.spacephys.ru
https://vpk.name
https://rg.ru
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