Vjeruje se da se tehnologije uvijek razvijaju postupno, od jednostavnih do složenih, od kamenog noža do čelika - pa tek onda do programiranog glodalice. Međutim, sudbina svemirske rakete pokazala se manje jednostavnom. Stvaranje jednostavnih, pouzdanih jednostupanjskih projektila dugo je ostalo nedostupno dizajnerima. Bila su potrebna rješenja koja nisu mogli ponuditi niti znanstvenici materijala niti inženjeri strojarstva. Do sada su lansirna vozila ostala višestepena i za jednokratnu upotrebu: nevjerojatno složen i skup sustav koristi se nekoliko minuta, nakon čega se baca
“Zamislite da biste prije svakog leta sastavili novi avion: povezali biste trup s krilima, položili električne kabele, instalirali motore, a nakon slijetanja poslali biste ga na odlagalište … Nećete letjeti daleko kao to”, rekli su nam programeri Državnog raketnog centra. Makeeva. “Ali upravo to činimo svaki put kad šaljemo teret u orbitu. Naravno, idealno bi bilo da bi svi voljeli imati pouzdan jednostupanjski "stroj" koji ne zahtijeva montažu, već stiže na kozmodrom, natoči gorivo i lansira se. I onda se vraća i počinje iznova - i opet "…
Na pola puta
Općenito, raketa je pokušala proći jednu fazu od najranijih projekata. U početnim skicama Tsiolkovskog pojavljuju se upravo takve strukture. Od te je ideje odustao tek kasnije, shvativši da tehnologije početka dvadesetog stoljeća ne dopuštaju realizaciju ovog jednostavnog i elegantnog rješenja. Interes za jednostupanjske prijevoznike ponovno se pojavio 1960-ih, a takvi su se projekti razrađivali s obje strane oceana. Do 1970-ih Sjedinjene Američke Države radile su na jednostupanjskim raketama SASSTO, Phoenix i nekoliko rješenja temeljenih na S-IVB, trećoj fazi lansirne rakete Saturn V, koja je astronaute isporučila na Mjesec.
"Takva se mogućnost ne bi razlikovala u nosivosti, motori nisu bili dovoljno dobri za to - ali ipak bi to bila jedna faza, sasvim sposobna letjeti u orbitu", nastavljaju inženjeri. "Naravno, ekonomski bi to bilo potpuno neopravdano." Kompoziti i tehnologije za rad s njima pojavili su se tek posljednjih desetljeća, što omogućuje da nosač postane jednostupanjski i, štoviše, za višekratnu uporabu. Cijena takve "znanstveno intenzivne" rakete bit će veća od one tradicionalnog dizajna, ali će se "raširiti" na mnoga lansiranja, tako da će lansirna cijena biti znatno niža od uobičajene razine.
Ponovna upotreba medija glavni je cilj današnjih programera. Sustavi Space Shuttle i Energia-Buran bili su djelomično višekratni. Ponovljena uporaba prve faze testira se za rakete SpaceX Falcon 9. SpaceX je već nekoliko puta uspješno sletio, a krajem ožujka pokušat će lansirati jednu od faza koja je ponovno letjela u svemir. "Po našem mišljenju, ovaj pristup može samo diskreditirati ideju stvaranja pravog medija za višekratnu uporabu", napominje Makeev Design Bureau. "Takvu raketu još morate riješiti nakon svakog leta, instalirati veze i nove komponente za jednokratnu upotrebu … i vratili smo se tamo gdje smo započeli."
Mediji za višekratnu uporabu još uvijek su samo u obliku projekata - s izuzetkom New Sheparda američke tvrtke Blue Origin. Do sada je raketa s kapsulom s posadom dizajnirana samo za suborbitalne letove svemirskih turista, no većina rješenja pronađenih u ovom slučaju može se lako skalirati za ozbiljnijeg orbitalnog nosača. Predstavnici tvrtke ne skrivaju svoje planove za stvaranje takve opcije, za koju se već razvijaju snažni motori BE-3 i BE-4. "Svakim suborbitalnim letom približavamo se orbiti", uvjeravaju iz Blue Origin -a. No, njihov obećavajući prijevoznik New Glenn također se neće moći u potpunosti ponovno upotrijebiti: samo prvi blok, nastao na temelju već ispitanog dizajna New Shepard, trebao bi se ponovno upotrijebiti.
Otpornost materijala
CFRP materijali potrebni za potpuno višekratne i jednostupanjske rakete koriste se u zrakoplovnoj tehnologiji od 1990-ih. Iste su godine inženjeri iz McDonnell Douglasa brzo počeli provoditi projekt Delta Clipper (DC-X), a danas bi se mogli pohvaliti gotovim i letećim nosačem od ugljičnih vlakana. Nažalost, pod pritiskom Lockheed Martina, rad na DC-X-u je prekinut, tehnologije su prenesene u NASA-u, gdje su ih pokušale koristiti za neuspješni projekt VentureStar, nakon čega su mnogi inženjeri uključeni u ovu temu otišli raditi u Blue Origin, a samu tvrtku preuzeo je Boeing.
Istih devedesetih za ovaj se zadatak zainteresirao ruski SRC Makeev. Od tada je projekt KORONA ("Svemirska raketa, jednostupanjski nosač [svemirskih] vozila") doživio zamjetnu evoluciju, a srednje verzije pokazuju kako su dizajn i izgled postajali sve jednostavniji i savršeniji. Postupno su programeri napustili složene elemente - poput krila ili vanjskih spremnika goriva - i došli do spoznaje da bi glavni materijal karoserije trebao biti ugljična vlakna. Zajedno s izgledom, promijenila se i težina i nosivost. "Koristeći čak i najbolje suvremene materijale, nemoguće je izgraditi jednostepenu raketu mase manje od 60-70 tona, a nosivost će joj biti vrlo mala", kaže jedan od programera. - No, kako početna masa raste, struktura (do određene granice) ima sve manji udio, pa postaje sve isplativije koristiti je. Za orbitalnu raketu, ovaj optimum je oko 160-170 tona, počevši od ove ljestvice njegova uporaba već može biti opravdana."
U najnovijoj verziji projekta KORONA, lansirna masa je još veća i približava se 300 tona. Tako velika jednostupanjska raketa zahtijeva uporabu visoko učinkovitog mlaznog motora s tekućim pogonom koji radi na vodik i kisik. Za razliku od motora u odvojenim stupnjevima, takav raketni motor s tekućim pogonom mora biti sposoban raditi u vrlo različitim uvjetima i na različitim nadmorskim visinama, uključujući uzlijetanje i let izvan atmosfere. "Konvencionalni motor na tekuće gorivo s mlaznicama Laval učinkovit je samo na određenim visinskim rasponima", objašnjavaju dizajneri Makeevke, "stoga smo došli do potrebe za raketnim motorom na klin." Plinski mlaz u takvim motorima prilagođava se tlaku "iza broda", a oni održavaju učinkovitost i na površini i visoko u stratosferi.
Do sada u svijetu ne postoji radni motor ovog tipa, iako su se njima bavili i bave se i kod nas i u SAD -u. Šezdesetih godina prošlog stoljeća inženjeri tvrtke Rocketdyne testirali su takve motore na postolju, ali nisu došli do ugradnje na projektile. CROWN bi trebao biti opremljen modularnom verzijom, u kojoj je klinasta mlaznica jedini element koji još nema prototip i nije testiran. U Rusiji postoje i sve tehnologije za proizvodnju kompozitnih dijelova - one su razvijene i uspješno se koriste, na primjer, u Sveruskom institutu za zrakoplovne materijale (VIAM) i u OJSC -u „Kompozit“.
Vertikalno uklapanje
Prilikom letenja u atmosferi, plastična struktura ojačana ugljičnim vlaknima CORONA-e bit će prekrivena pločicama za zaštitu od topline koje je VIAM razvio za Burane i od tada su osjetno poboljšane."Glavno toplinsko opterećenje naše rakete koncentrirano je na njezin" nos ", gdje se koriste visokotemperaturni elementi toplinske zaštite", objašnjavaju dizajneri. - U tom slučaju strane rakete koje se šire imaju veći promjer i pod oštrim su kutom u odnosu na strujanje zraka. Toplinsko opterećenje na njima je manje, što omogućuje uporabu lakših materijala. Time smo uštedjeli više od 1,5 tona. Masa visokotemperaturnog dijela ne prelazi 6% ukupne mase toplinske zaštite. Za usporedbu, čini više od 20% Shuttlea."
Uglađeni, konusni dizajn medija rezultat je bezbroj pokušaja i pogrešaka. Prema programerima, ako uzmete samo ključne karakteristike mogućeg jednostupanjskog nosača za višekratnu uporabu, morat ćete uzeti u obzir oko 16.000 njihovih kombinacija. Stotine njih dizajneri su cijenili tijekom rada na projektu. "Odlučili smo napustiti krila, poput Burana ili Space Shuttlea", kažu. - Uglavnom, u gornjoj atmosferi ometaju samo letjelice. Takvi brodovi ulaze u atmosferu hipersoničnom brzinom ništa bolje od "željeza", a tek nadzvučnom brzinom prelaze u vodoravni let i mogu se pravilno osloniti na aerodinamiku krila."
Osovinski simetrični oblik konusa ne samo da omogućuje lakšu toplinsku zaštitu, već ima i dobru aerodinamiku pri vožnji pri vrlo velikim brzinama. Već u gornjim slojevima atmosfere raketa prima podizanje, što joj omogućuje ne samo kočenje ovdje, već i manevriranje. To pak omogućuje nužne manevre na velikoj nadmorskoj visini u smjeru slijetanja, a u budućem letu ostaje samo dovršiti kočenje, ispraviti kurs i skrenuti prema dolje, koristeći slabe manevarske motore.
Prisjetite se i Falcon 9 i New Shepard: danas u vertikalnom slijetanju nema ništa nemoguće ili čak neobično. Istodobno, omogućuje snalaženje uz znatno manje sile tijekom izgradnje i rada piste - pista na koju su iskrcali isti Shuttles i Buran morala je imati duljinu od nekoliko kilometara kako bi vozilo kočilo pri brzinom stotinama kilometara na sat. “KRUNA u načelu može čak poletjeti s platforme na moru i sletjeti na nju”, dodaje jedan od autora projekta, “konačna točnost slijetanja bit će oko 10 m, raketa se spušta na uvlačne pneumatske amortizere.” Ostaje samo provesti dijagnostiku, napuniti gorivo, postaviti novi teret - i možete opet letjeti.
KORONA se još uvijek provodi u nedostatku financijskih sredstava, pa su programeri dizajnerskog ureda Makeev uspjeli doći samo do završnih faza nacrta. “Prošli smo ovu fazu gotovo potpuno i potpuno neovisno, bez vanjske podrške. Već smo učinili sve što se moglo, - kažu dizajneri. - Znamo što, gdje i kada treba proizvoditi. Sada moramo prijeći na praktično projektiranje, proizvodnju i razvoj ključnih jedinica, a za to je potreban novac, pa sada sve ovisi o njima."
Odgođen početak
Raketa CFRP očekuje samo veliko lansiranje; nakon što dobiju potrebnu podršku, dizajneri su spremni za šest godina započeti letačka ispitivanja, a za sedam do osam godina - za početak eksperimentalnog rada prvih projektila. Procjenjuju da je za to potrebno manje od 2 milijarde dolara - prema raketnim standardima ne mnogo. Istodobno, povrat ulaganja može se očekivati nakon sedam godina korištenja rakete, ako broj komercijalnih lansiranja ostane na sadašnjoj razini, ili čak za 1,5 godine - ako raste po predviđenim stopama.
Štoviše, prisutnost manevarskih motora, sastanaka i pristaništa na raketi također omogućuje računanje na složene sheme lansiranja s više lansiranja. Potrošivši gorivo ne za slijetanje, već za dovršavanje korisnog tereta, moguće ga je dovesti do mase veće od 11 tona. Zatim će KRUNA pristati uz drugi, "tanker", koji će napuniti svoje spremnike dodatnim gorivom potrebnim za povratak. No, ipak je mnogo važnija ponovna upotreba, koja će nas po prvi put osloboditi potrebe prikupljanja medija prije svakog lansiranja - i izgubiti je nakon svakog lansiranja. Samo takav pristup može osigurati stvaranje stabilnog dvosmjernog prometnog toka između Zemlje i orbite, a ujedno i početak stvarne, aktivne, opsežne eksploatacije svemira blizu Zemlje.
U međuvremenu, KRUNA ostaje u neizvjesnosti, rad na Novom Shepardu se nastavlja. Sličan japanski projekt RVT također se razvija. Ruski programeri možda jednostavno nemaju dovoljno podrške za napredak. Ako imate na raspolaganju par milijardi, ovo je daleko bolja investicija od čak najveće i najluksuznije jahte na svijetu.
