Vehículo de lanzamiento Soyuz-5: ¿llegaremos al último vagón?
Vehículo de lanzamiento "Soyuz-5" o "Irtysh"
Delicias de la ingeniería
El programa Soyuz-5 se lanzó en 2015 con el objetivo de crear un vehículo de lanzamiento de clase media capaz de poner en órbita 17 toneladas de carga útil. En la amplia gama de tecnología de cohetes nacionales para el espacio, el producto ocupa una posición intermedia entre Soyuz-2.1 y Proton-M. El primero es capaz de lanzar hasta 9 toneladas a la órbita terrestre baja, el segundo, 22,4 toneladas a la vez. La ausencia de un enlace intermedio en la línea de misiles no amenaza nada crítico, si no se tienen en cuenta los intereses de las empresas.
El coste de poner en órbita un kilogramo de carga útil para el Proton-M es de poco menos de 3 dólares, pero primero hay que cargar el pesado cohete con pedidos de 22 toneladas. La situación es similar con el vehículo de lanzamiento Angara-A5, aún más pesado, que, además, actualmente no tiene ningún lanzamiento comercial. Y es poco probable que sucedan en un futuro próximo: el coste del lanzamiento de un cohete se acerca a los 120 millones de dólares. Además, cada kilogramo de carga útil cuesta cinco mil dólares. El cohete de clase media más pesado de Rusia es el Soyuz-2.1, cuyo kilogramo de carga en órbita terrestre baja cuesta entre 5,5 y 7 mil dólares. Al mismo tiempo, el coste del lanzamiento del cohete es de unos 48 millones de dólares, lo que actualmente es muy económico.
La principal tarea de los desarrolladores del sistema Soyuz-5 no era sólo entrar en el nicho entre Soyuz-2.1 y Proton-M, sino también lograr un coste de lanzamiento de no más de 55-56 millones de dólares. Para lograrlo, el cohete debe convertirse en el más económico de toda la línea Roscosmos. En primer lugar, gracias a los motores cohete RD-171MV. El año pasado, 2023, se ensamblaron dos motores más, cuyas características son únicas no solo para Rusia, sino también para el mundo entero.
Comparar al gigante con los motores de cohetes modernos puede ser muy condicional: los más avanzados, Raptor y Merlin de la oficina de Elon Musk, viven en una categoría de peso completamente diferente. Desarrollado en NPO Energomash en Khimki, cerca de Moscú, el RD-171MV pesa 10,3 toneladas y desarrolla 246 mil caballos de fuerza. Lo más probable es que esta sea ahora la central eléctrica más poderosa del mundo entre todos los tipos. A modo de comparación, se prevé que el rompehielos doméstico de clase Leader más potente del mundo esté equipado con una central nuclear con una capacidad de “sólo” 75 mil caballos de fuerza. Si todo va según lo planeado, entonces un motor RD-171MV debería ser suficiente para impulsar la primera etapa del vehículo de lanzamiento Soyuz-5. Un rasgo característico del motor son las cuatro cámaras de combustión y, en consecuencia, los cuatro inyectores.
El empuje del RD-171MV se estima en 800 toneladas, 110 toneladas más que el del F-1 estadounidense que alguna vez fue el más poderoso. Fueron los motores de esta serie con una sola cámara de combustión los que se instalaron en el vehículo de lanzamiento Saturn 5, que llevó a los astronautas a la Luna. Los desarrolladores del RD-171MV están considerando la posibilidad de utilizarlo para lanzar misiones no sólo a la Luna, sino también a Marte. El motor se instalará en el cohete de clase media Soyuz-5, así como en el cohete superpesado Yenisei. Este último debe finalmente devolver a Rusia al espacio profundo.
RD-171MV
El RD-171MV no fue desarrollado desde cero. Como muchas cosas en la tecnología de ingeniería nacional, el motor tiene su origen en la Unión Soviética. En primer lugar, el potencial inherente al diseño de los años 70 y 80 del siglo pasado aún no se ha agotado. En segundo lugar, crear productos completamente nuevos es ahora un lujo inasequible para Roscosmos. Especialmente aquellos tan complejos como los motores de cohetes. No hay tiempo ni fondos para esto. Nadie en el mundo practica esto: todos intentan exprimir soluciones probadas hasta el final. La excepción es Elon Musk: su Raptor y Merlon se crearon desde cero solo debido a la falta de motores de cohetes de esta clase en los Estados Unidos.
El prototipo del RD-171MV fue el RD-171M, desarrollado para el programa Energia - Buran. Por cierto, su predecesor, con 230 mil caballos de fuerza, era también el motor cohete más potente del mundo en su época. Pero no se trata sólo de poder. Se puede crear un motor que, en teoría, recorrerá la mitad del mundo, pero que al mismo tiempo consumirá una cantidad indecente de combustible. Para evaluar la perfección energética de los productos, los científicos espaciales disponen de un indicador de impulso específico, medido en segundos. En pocas palabras, cuanto más grande es, más eficientemente utiliza el combustible el motor. Para el RD-171MV, el impulso específico es de 311 segundos al nivel del mar, lo que supone un récord en su clase. Pero no del todo: supuestamente el Raptor estadounidense produce 330 segundos. Aquí mucho depende no sólo de la perfección del diseño, sino también del combustible utilizado. Por ejemplo, el motor principal de la "Energia" soviética funcionaba con un combustible casi ideal: el hidrógeno (oxidante: oxígeno), por lo que el impulso específico alcanzaba los 450 segundos. Pero las dificultades y peligros del hidrógeno son claros para todos, por lo que no está muy extendido en la industria espacial.
Killer Falcon 9 se lanza al espacio
El RD-171MV no es la única solución única en el marco del programa Soyuz-5 o, como también se le llama, Irtysh. Los motores de Khimki están instalados en la primera etapa del vehículo de lanzamiento y RD-0124MS para la segunda. Curiosamente, el prototipo fue el RD-0124, creado en 1993: fue el primer motor de cohete en la Rusia postsoviética. La modificación MS se encuentra actualmente en la etapa de diseño y prueba de los primeros prototipos, pero los parámetros declarados son alentadores. En el vacío (el entorno operativo principal), el producto produce hasta 60 toneladas y consume combustible (oxígeno y naftilo) de manera muy eficiente: 334 segundos al nivel del mar.
RD-0124MS para la segunda etapa de Soyuz-5
Planean instalar dos motores de cuatro cámaras en cada cohete Soyuz-5. Las pruebas en la Oficina de Diseño de Automatización Química de Voronezh están en pleno apogeo, pero aún no ha llegado el momento de producir muestras comerciales. Sería muy bueno si esto sucede en el actual 2024.
La lista de innovaciones del proyecto Soyuz-5 incluye el uso de la prometedora aleación de aluminio y magnesio 1580 para los tanques y los compartimentos de transición del vehículo de lanzamiento. Te contamos un poco sobre esta aleación de alta resistencia. A juzgar por los datos abiertos de 2020, fue desarrollado por especialistas de RUSAL. La aleación 1580 contiene magnesio y se utilizan 0,1 por ciento de escandio y 0,15 por ciento de circonio como aditivos de aleación. Las especificaciones técnicas para los metalúrgicos incluían inicialmente la posibilidad de fabricar compartimentos para vehículos de lanzamiento mediante tecnología WAAM, es decir, impresión 3D con alambre metálico, que utiliza soldadura por arco.
Como resultado, los desarrolladores de Soyuz-5 tienen la oportunidad de crear estructuras complejas con una relación resistencia-peso única a partir de la aleación de aluminio y magnesio 1580. A finales de diciembre de 2023, se montó un tanque experimental hecho de esta aleación en el Centro Espacial y de Cohetes Progress, y en un futuro próximo se probará dinámicamente en el Instituto Central de Investigación de Ingeniería Mecánica. Estamos hablando del tanque de la primera etapa para el oxidante: oxígeno. El depósito de combustible, de nafta, se creó incluso antes y ya ha sido probado en su totalidad. En la segunda etapa, los ingenieros fueron los primeros en la industria en utilizar un fondo combinado de tanques de combustible y oxidante, lo que redujo el peso y el tamaño final del producto. El uso de la aleación de aluminio y magnesio 1580 es mucho más barato que el aluminio y litio de SpaceX para los vehículos de lanzamiento Falcon 9. Sin embargo, los productos nacionales fabricados con la aleación 1580 son más grandes y pesados que los producidos por la oficina de Elon Musk.
Una solución de ingeniería no trivial parece ser el uso de piezas de soldadura de tanques mediante el método de agitación por fricción. La tecnología permite no fundir las superficies soldadas a un estado líquido, por lo que prácticamente no se producen defectos de soldadura después del enfriamiento. Todo el equipo para un proceso de ingeniería tan delicado fue desarrollado en la empresa nacional JSC Cheboksary Enterprise Sespel.
La principal ventaja del vehículo de lanzamiento Soyuz-5 es la mayor masa de carga útil puesta en órbita que la de su principal competidor, el Falcon 9. Según los cálculos, entre un 10 y un 15 por ciento. Al mismo tiempo, el coste del lanzamiento del cohete debería seguir siendo el mismo: 55-56 millones de dólares, cifra inferior a la del Falcon 9 con sus 62 millones, incluso en la versión con primera etapa retornable. Por cierto, en el marco del tema Soyuz-5, los autores están considerando la posibilidad de devolver la primera etapa a la Tierra y reutilizarla. En este sentido, no hay problemas con los motores: inicialmente son reutilizables. Planean realizar un descenso suave mediante paracaídas. Si todo va según lo previsto, Rusia podría hacerse con algunos de los clientes de SpaceX, especialmente de países amigos. Por ejemplo, los desarrolladores privados de India y China pueden utilizar los servicios de Soyuz-5. Dado el continuo crecimiento del tráfico hacia el espacio cercano, los vehículos de lanzamiento rentables no permanecerán inactivos en ningún caso.
Al final queda un poco de alquitrán en la pomada. A principios de 2024, los desarrolladores planean el primer lanzamiento del cohete Soyuz-5 terminado el 24 de diciembre de 2025. Si nos fijamos en los archivos de 2017-2019, la operación comercial del nuevo sistema debería haber comenzado el año pasado. Las fechas de lanzamiento se retrasan constantemente y, en cierta medida, esto está justificado. Lo principal es que esto no se convierta en un proceso permanente.
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