فضای روسیه

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

اعتقاد بر این است که فناوری ها همیشه به تدریج توسعه می یابند، از ساده به پیچیده، از چاقوی سنگی به فولاد - و تنها پس از آن به یک ماشین فرز برنامه ریزی شده. با این حال، سرنوشت موشک فضایی چندان هم ساده نبود. ایجاد موشک های تک مرحله ای ساده و قابل اعتماد برای مدت طولانی برای طراحان غیرقابل دسترس باقی ماند.

راه حل هایی مورد نیاز بود که نه دانشمندان علم مواد و نه مهندسان موتور نمی توانستند ارائه دهند. تا به حال، وسایل نقلیه پرتاب چند مرحله ای و یکبار مصرف باقی مانده اند: یک سیستم فوق العاده پیچیده و گران قیمت برای چند دقیقه استفاده می شود و سپس دور انداخته می شود.

تصور کنید قبل از هر پرواز یک هواپیمای جدید جمع کنید: بدنه را به بال ها وصل می کنید، کابل های برق می گذارید، موتورها را نصب می کنید و پس از فرود آن را به انبار زباله می فرستید… نمی توانید تا این اندازه پرواز کنید. توسعه دهندگان مرکز موشکی دولتی به ما گفتند. مایوا. اما این دقیقا همان کاری است که ما هر بار که محموله را به مدار می فرستیم انجام می دهیم. البته، در حالت ایده آل، همه مایلند یک "ماشین" یک مرحله ای قابل اعتماد داشته باشند که نیازی به مونتاژ ندارد، اما به کیهان می رسد، سوخت گیری می کند و راه اندازی می شود. و سپس برمی گردد و دوباره شروع می شود - و دوباره "…

در نیمه راه

به طور کلی، راکتی سعی کرد با یک مرحله از اولین پروژه ها به موفقیت برسد. در طرح های اولیه Tsiolkovsky، چنین ساختارهایی ظاهر می شود. او این ایده را تنها بعداً رها کرد و متوجه شد که فناوری های اوایل قرن بیستم اجازه تحقق این راه حل ساده و ظریف را نمی دهد. علاقه به حامل های تک مرحله ای دوباره در دهه 1960 به وجود آمد و چنین پروژه هایی در دو طرف اقیانوس در حال انجام بودند. در دهه 1970، ایالات متحده در حال کار بر روی موشک های تک مرحله ای SASSTO، Phoenix و چندین راه حل مبتنی بر S-IVB، مرحله سوم پرتابگر Saturn V بود که فضانوردان را به ماه می رساند.

CORONA باید رباتیک شود و نرم افزار هوشمند سیستم کنترل را دریافت کند. این نرم افزار می تواند به طور مستقیم در هنگام پرواز به روز رسانی شود و در شرایط اضطراری به طور خودکار به نسخه پایدار پشتیبان "بازگشت" می شود.

مهندسان ادامه می دهند: "چنین گزینه ای در ظرفیت حمل متفاوت نیست، موتورها برای این کار به اندازه کافی خوب نبودند، اما همچنان یک مرحله است و کاملاً قادر به پرواز در مدار است." البته از نظر اقتصادی کاملاً غیرقابل توجیه خواهد بود.» کامپوزیت ها و فن آوری ها برای کار با آنها فقط در دهه های اخیر ظاهر شده اند که این امکان را فراهم می کند تا حامل را یک مرحله ای و علاوه بر آن قابل استفاده مجدد باشد. هزینه چنین موشک "علم فشرده" بالاتر از یک طراحی سنتی خواهد بود، اما در بسیاری از پرتاب ها "گسترش" خواهد داشت، به طوری که قیمت پرتاب به طور قابل توجهی کمتر از سطح معمول خواهد بود.

امروزه استفاده مجدد از رسانه هدف اصلی توسعه دهندگان است. شاتل فضایی و سیستم های انرژی-بوران تا حدی قابل استفاده مجدد بودند. استفاده مکرر از مرحله اول برای موشک های فالکون 9 اسپیس ایکس در حال آزمایش است. اسپیس ایکس قبلاً چندین فرود موفقیت آمیز داشته است و در پایان ماه مارس آنها سعی خواهند کرد یکی از مراحلی را که دوباره به فضا پرواز کردند را پرتاب کنند. دفتر طراحی Makeev خاطرنشان می کند: "به نظر ما، این رویکرد تنها می تواند ایده ایجاد یک رسانه قابل استفاده مجدد واقعی را بی اعتبار کند." "شما هنوز باید پس از هر پرواز، چنین موشکی را مرتب کنید، اتصالات و اجزای یکبار مصرف جدید را نصب کنید… و ما به همان جایی که شروع کردیم بازگشته ایم."

رسانه های کاملاً قابل استفاده مجدد هنوز فقط در قالب پروژه هستند - به استثنای New Shepard توسط شرکت آمریکایی Blue Origin.تا کنون، موشک با یک کپسول سرنشین دار فقط برای پروازهای زیرمداری گردشگران فضایی طراحی شده است، اما بسیاری از راه حل های یافت شده در این مورد می توانند به راحتی برای یک حامل مداری جدی تر مقیاس شوند. نمایندگان این شرکت برنامه های خود را برای ایجاد چنین گزینه ای پنهان نمی کنند که موتورهای قدرتمند BE-3 و BE-4 در حال حاضر در حال توسعه هستند. بلو اوریجین اطمینان داد: "با هر پرواز زیر مداری، ما به مدار نزدیک می شویم." اما حامل امیدوار کننده آنها، نیو گلن، نیز به طور کامل قابل استفاده مجدد نخواهد بود: فقط اولین بلوک، که بر اساس طرح قبلاً آزمایش شده نیو شپرد ایجاد شده است، باید دوباره مورد استفاده قرار گیرد.

مقاومت مواد

مواد CFRP مورد نیاز برای موشک های کاملاً قابل استفاده مجدد و تک مرحله ای از دهه 1990 در فناوری هوافضا استفاده شده است. در همان سال‌ها، مهندسان مک‌دانل داگلاس به سرعت اجرای پروژه دلتا کلیپر (DC-X) را آغاز کردند و امروزه می‌توانند به خوبی از یک حامل فیبر کربنی آماده و پرنده ببالند. متأسفانه، تحت فشار لاکهید مارتین، کار بر روی DC-X متوقف شد، فناوری ها به ناسا منتقل شدند، جایی که آنها سعی کردند از آنها برای پروژه ناموفق VentureStar استفاده کنند، پس از آن بسیاری از مهندسان درگیر در این موضوع برای کار در Blue Origin رفتند. و خود شرکت توسط بوئینگ تصاحب شد.

در همان دهه 1990 ، SRC Makeev روسیه به این کار علاقه مند شد. در طول سال‌ها از آن زمان، پروژه KORONA ("موشک فضایی، حامل وسایل نقلیه فضایی تک مرحله‌ای") دچار تحول قابل توجهی شده است و نسخه‌های میانی نشان می‌دهند که چگونه طراحی و چیدمان هر روز ساده‌تر و کامل‌تر شده است. به تدریج، توسعه دهندگان عناصر پیچیده - مانند بال ها یا مخازن سوخت خارجی - را رها کردند و به این درک رسیدند که ماده اصلی بدنه باید فیبر کربن باشد. همراه با ظاهر، هم وزن و هم ظرفیت حمل تغییر کرد. یکی از توسعه دهندگان می گوید: "با استفاده از بهترین مواد مدرن، ساخت موشک تک مرحله ای با وزن کمتر از 60 تا 70 تن غیرممکن است، در حالی که محموله آن بسیار کم خواهد بود." - اما با رشد جرم شروع، ساختار (تا حد معینی) سهم کمتری را به خود اختصاص می دهد و استفاده از آن سودمندتر و سودمندتر می شود. برای یک موشک مداری، این بهینه حدود 160-170 تن است، با شروع از این مقیاس استفاده از آن قبلاً قابل توجیه است.

در آخرین نسخه از پروژه KORONA، جرم پرتاب حتی بیشتر است و به 300 تن نزدیک می شود. چنین موشک تک مرحله ای بزرگی نیاز به استفاده از یک موتور جت پیشران مایع بسیار کارآمد دارد که با هیدروژن و اکسیژن کار می کند. بر خلاف موتورهایی که در مراحل جداگانه قرار دارند، چنین موتور موشکی پیشران مایع باید در شرایط بسیار متفاوت و در ارتفاعات مختلف، از جمله برخاستن و پرواز خارج از جو، «توانایی» کار کند. طراحان Makeyevka توضیح می‌دهند: «موتور سوخت مایع معمولی با نازل‌های لاوال تنها در محدوده‌های ارتفاعی خاص مؤثر است، بنابراین ما به نیاز به استفاده از موتور موشک هوای گوه‌ای رسیدیم.» جت گاز در چنین موتورهایی به طور خودکار با فشار "روی کشتی" تنظیم می شود و آنها هم در سطح و هم در بالا در استراتوسفر کارآمد می مانند.

کانتینر بار

تاکنون موتوری از این نوع در دنیا وجود ندارد، هرچند هم در کشور ما و هم در آمریکا با آنها برخورد شده و می شود. در دهه 1960، مهندسان Rocketdyne چنین موتورهایی را روی پایه آزمایش کردند، اما آنها روی موشک نصب نشدند. CROWN باید به یک نسخه مدولار مجهز شود که در آن نازل هوا گوه تنها عنصری است که هنوز نمونه اولیه ندارد و آزمایش نشده است. همچنین تمام فن آوری ها برای تولید قطعات کامپوزیتی در روسیه وجود دارد - آنها توسعه یافته اند و با موفقیت مورد استفاده قرار می گیرند، به عنوان مثال، در مؤسسه تمام روسیه مواد هوانوردی (VIAM) و در JSC Kompozit.

تناسب عمودی

هنگام پرواز در اتمسفر، ساختار باربر فیبر کربنی KORONA با کاشی های محافظ حرارتی که توسط VIAM برای Burans ساخته شده است پوشانده می شود و از آن زمان به طور قابل توجهی بهبود یافته است.طراحان توضیح می دهند: "بار اصلی گرمای موشک ما روی " دماغه " آن متمرکز است، جایی که از عناصر محافظ حرارتی با دمای بالا استفاده می شود. - در این حالت اضلاع در حال انبساط موشک قطر بیشتری دارند و نسبت به جریان هوا زاویه شدید دارند. بار حرارتی روی آنها کمتر است که امکان استفاده از مواد سبکتر را فراهم می کند. در نتیجه ما بیش از 1.5 تن صرفه جویی کرده ایم.جرم قسمت با دمای بالا از 6% جرم کل حفاظت حرارتی تجاوز نمی کند. برای مقایسه، در شاتل ها بیش از 20٪ را به خود اختصاص می دهد.

طراحی شیک و مخروطی رسانه نتیجه آزمون و خطای بیشماری است. به گفته توسعه دهندگان، اگر فقط ویژگی های کلیدی یک حامل تک مرحله ای قابل استفاده مجدد را در نظر بگیرید، باید حدود 16000 ترکیب از آنها را در نظر بگیرید. صدها نفر از آنها در حین کار بر روی پروژه مورد قدردانی طراحان قرار گرفتند. آن‌ها می‌گویند: «ما تصمیم گرفتیم بال‌ها را رها کنیم، مانند بوران یا شاتل فضایی. - به طور کلی، در جو فوقانی، آنها فقط با فضاپیماها تداخل دارند. چنین کشتی هایی با سرعت مافوق صوت که بهتر از "آهن" نیست وارد جو می شوند و فقط با سرعت مافوق صوت به پرواز افقی می روند و می توانند به درستی به آیرودینامیک بال ها تکیه کنند.

شکل مخروطی متقارن محوری نه تنها امکان حفاظت حرارتی آسان‌تر را فراهم می‌کند، بلکه هنگام رانندگی با سرعت‌های بسیار بالا، آیرودینامیک خوبی نیز دارد. در حال حاضر در لایه های بالایی جو، موشک یک بالابر دریافت می کند که به آن اجازه می دهد نه تنها در اینجا ترمز کند، بلکه مانور دهد. این امر به نوبه خود امکان انجام مانورهای لازم را در ارتفاع بالا و حرکت به سمت محل فرود فراهم می کند و در پرواز آینده فقط با استفاده از شنت ضعیف باید ترمز را کامل کرد، مسیر را اصلاح کرد و به عقب رفت. موتورها

فالکون 9 و نیو شپرد را به یاد بیاورید: امروز هیچ چیز غیرممکن یا حتی غیرعادی در فرود عمودی وجود ندارد. در عین حال، این امکان را فراهم می کند که در طول ساخت و بهره برداری از باند با نیروهای بسیار کمتری عبور کنید - باندی که همان شاتل ها و بوران روی آن فرود آمدند باید چندین کیلومتر طول داشته باشد تا بتواند وسیله نقلیه را ترمز کند. سرعت صدها کیلومتر در ساعت. یکی از نویسندگان این پروژه می‌افزاید: «کراون، در اصل، حتی می‌تواند از یک سکوی دریایی بلند شود و روی آن فرود بیاید، دقت فرود نهایی حدود 10 متر خواهد بود، موشک روی کمک فنرهای پنوماتیک جمع‌شونده پایین می‌آید. تنها چیزی که باقی می ماند انجام تشخیص، سوخت گیری، قرار دادن محموله جدید است - و می توانید دوباره پرواز کنید.

KORONA هنوز در غیاب بودجه در حال اجرا است، بنابراین توسعه دهندگان دفتر طراحی Makeev موفق شدند فقط به مراحل نهایی طراحی پیش نویس برسند. ما این مرحله را تقریباً به طور کامل و کاملاً مستقل و بدون حمایت خارجی پشت سر گذاشته‌ایم. طراحان می گویند: ما قبلاً هر کاری را که می شد انجام دادیم. - ما می دانیم چه چیزی، کجا و چه زمانی باید تولید شود. اکنون باید به سمت طراحی عملی، تولید و توسعه واحدهای کلیدی برویم و این نیاز به پول دارد، بنابراین اکنون همه چیز به آنها بستگی دارد."

شروع با تاخیر

موشک CFRP تنها یک پرتاب در مقیاس بزرگ را انتظار دارد؛ پس از دریافت پشتیبانی لازم، طراحان آماده هستند آزمایش های پروازی را در شش سال و در هفت تا هشت سال - برای شروع عملیات آزمایشی اولین موشک ها آغاز کنند. آنها تخمین می زنند که این به کمتر از 2 میلیارد دلار نیاز دارد - نه چندان با استانداردهای علم موشک. در عین حال، اگر تعداد پرتاب های تجاری در سطح فعلی باقی بماند یا حتی در 1.5 سال - اگر با نرخ های پیش بینی شده رشد کند، می توان پس از هفت سال استفاده از موشک، بازگشت سرمایه را انتظار داشت.

علاوه بر این، وجود موتورهای مانور، دستگاه‌های میعادگاه و داکینگ روی موشک، امکان حساب کردن روی طرح‌های پیچیده پرتاب چند پرتابی را فراهم می‌کند. با صرف سوخت نه برای فرود، بلکه برای اضافه کردن بار، می توانید آن را به جرم بیش از 11 تن برسانید.سپس CROWN به دومین "تانکر" متصل می شود که مخازن آن را با سوخت اضافی لازم برای بازگشت پر می کند. اما هنوز هم، استفاده مجدد بسیار مهمتر است، که برای اولین بار ما را از نیاز به جمع آوری رسانه قبل از هر پرتاب - و از دست دادن آن پس از هر پرتاب راحت می کند. تنها چنین رویکردی می تواند ایجاد یک جریان ترافیک دو طرفه پایدار بین زمین و مدار و در عین حال آغاز بهره برداری واقعی، فعال و در مقیاس بزرگ از فضای نزدیک به زمین را تضمین کند.

در این بین، CROWN در بلاتکلیفی باقی می ماند، کار بر روی نیو شپرد ادامه دارد. پروژه مشابه ژاپنی RVT نیز در حال توسعه است. توسعه دهندگان روسی ممکن است به سادگی از پشتیبانی کافی برای پیشرفت برخوردار نباشند. اگر چند میلیارد پول در اختیار دارید، این سرمایه گذاری به مراتب بهتر از بزرگترین و مجلل ترین قایق تفریحی جهان است.