Vjeruje se da se tehnologije uvijek razvijaju postupno, od jednostavnih do složenih, od kamenog noža do čelika - pa tek onda do programirane 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 ni znanstvenici materijala, ni inženjeri strojarstva. Do sada su lansirna vozila ostala višestepena i za jednokratnu upotrebu: nevjerojatno složen i skup sistem 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 deponiju … Nećete letjeti daleko kao to”, rekli su nam programeri Državnog raketnog centra. Makeeva. “Ali upravo to radimo svaki put kada šaljemo teret u orbitu. Naravno, idealno bi bilo da bi svi voljeli imati pouzdanu jednostupanjsku "mašinu" koja ne zahtijeva montažu, već stiže na kozmodrom, puni se gorivom i lansira. I onda se vraća i počinje ponovo - i opet "…
Na pola puta
Uglavnom, raketa je pokušala proći jednu fazu od najranijih projekata. U prvim skicama Tsiolkovskog pojavljuju se upravo takve strukture. Od te je ideje odustao tek kasnije, shvativši da tehnologije s 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 Države su radile na jednostupanjskim raketama SASSTO, Phoenix i nekoliko rješenja zasnovanih na S-IVB, trećoj fazi rakete Saturn V, koja je astronaute isporučila na Mjesec.
"Takva se opcija ne bi razlikovala u nosivosti, motori nisu bili dovoljno dobri za to - ali ipak bi to bila jedna faza, sasvim sposobna za let 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 upotrebu. Cijena takve "naučno intenzivne" rakete bit će veća od one tradicionalnog dizajna, ali će se "raširiti" na mnoga lansiranja, tako da će lansirna cijena biti mnogo niža od uobičajenog nivoa.
Ponovna upotreba medija glavni je cilj današnjih programera. Sistemi Space Shuttle i Energia-Buran bili su djelomično za višekratnu upotrebu. Ponovljena upotreba prve faze testira se za rakete SpaceX Falcon 9. SpaceX je već nekoliko puta uspješno sletio, a krajem ožujka pokušat će lansirati jednu od etapa koje su ponovo poletjele u svemir. "Po našem mišljenju, ovaj pristup može samo diskreditirati ideju o stvaranju pravog medija za višekratnu upotrebu", napominje Makeev Design Bureau. "I dalje morate rješavati takvu raketu nakon svakog leta, instalirati veze i nove komponente za jednokratnu upotrebu … i vratili smo se tamo gdje smo počeli."
Mediji za višekratnu upotrebu još uvijek su samo u obliku projekata - s izuzetkom New Sheparda američke kompanije Blue Origin. Do sada je raketa s kapsulom s posadom dizajnirana samo za suborbitalne letove svemirskih turista, ali većina rješenja pronađenih u ovom slučaju može se lako skalirati za ozbiljnijeg orbitalnog nosača. Predstavnici kompanije ne kriju svoje planove o stvaranju takve opcije, za koju se već razvijaju snažni motori BE-3 i BE-4. "Sa svakim suborbitalnim letom približavamo se orbiti", uvjeravaju iz Blue Origin -a. No, njihov obećavajući nosač New Glenn također se neće moći u potpunosti ponovno upotrijebiti: samo prvi blok, nastao na temelju već testiranog dizajna New Shepard, trebao bi se ponovno koristiti.
Otpornost materijala
CFRP materijali potrebni za potpuno višekratne i jednostupanjske rakete koriste se u zrakoplovnoj tehnologiji od 1990-ih. Iste godine inženjeri iz McDonnell Douglasa brzo su započeli s implementacijom projekta 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 je obustavljen, tehnologije su prenesene u NASA-u, gdje su ih pokušale upotrijebiti za neuspješni projekt VentureStar, nakon čega su mnogi inženjeri uključeni u ovu temu prešli na rad u Blue Origin, a samu kompaniju preuzeo je Boeing.
Istih 1990 -ih, ruski SRC Makeev se zainteresovao za ovaj zadatak. 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. Postepeno su programeri napustili složene elemente - poput krila ili vanjskih spremnika za gorivo - i shvatili da bi glavni materijal karoserije trebala biti ugljična vlakna. Zajedno s izgledom, promijenila se i težina i nosivost. "Koristeći čak i najbolje savremene materijale, nemoguće je izgraditi jednostepenu raketu mase manje od 60-70 tona, dok će njen korisni teret biti vrlo mali", kaže jedan od programera. - Ali 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 razmjere njegova upotreba se već može opravdati."
U najnovijoj verziji projekta KORONA, lansirna masa je još veća i približava se 300 tona. Tako velika jednostupanjska raketa zahtijeva upotrebu visoko efikasnog mlaznog motora na tekuće gorivo koji radi na vodik i kisik. Za razliku od motora u odvojenim fazama, takav raketni motor na tekuće gorivo mora biti sposoban raditi u vrlo različitim uvjetima i na različitim visinama, uključujući polijetanje i let izvan atmosfere. „Konvencionalni motor na tečno gorivo sa mlaznicama Laval efikasan je samo na određenim visinskim rasponima“, objašnjavaju dizajneri Makeevke, „stoga smo došli do potrebe da koristimo raketni motor na klin.“Plinski mlaz u takvim motorima prilagođava se pritisku „iza broda“, a održavaju efikasnost 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 kompanije Rocketdyne testirali su takve motore na postolju, ali nisu došli do ugradnje na projektile. CROWN bi trebao biti opremljen modularnom verzijom, u kojoj je klinna 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, na Sveruskom institutu za zrakoplovne materijale (VIAM) i u OJSC „Kompozit“.
Vertikalno uklapanje
Prilikom leta u atmosferi, plastična struktura ojačana ugljikovim vlaknima CORONA-e bit će prekrivena pločama za zaštitu od topline koje je VIAM razvio za Burane i od tada su primjetno poboljšane."Glavno toplinsko opterećenje naše rakete koncentrirano je na njenom" nosu ", gdje se koriste visokotemperaturni elementi toplinske zaštite", objašnjavaju dizajneri. - U ovom slučaju strane rakete koje se šire imaju veći promjer i pod oštrim su uglom u odnosu na strujanje zraka. Toplinsko opterećenje na njima je manje, što omogućuje upotrebu lakših materijala. Kao rezultat toga, uštedjeli smo više od 1,5 tona, a masa visokotemperaturnog dijela ne prelazi 6% ukupne mase toplinske zaštite. Poređenja radi, čini više od 20% šatlova."
Elegantan, konusni dizajn medija rezultat je bezbroj pokušaja i grešaka. Prema programerima, ako uzmete samo ključne karakteristike mogućeg jednostupanjskog nosača za višekratnu upotrebu, morat ćete uzeti u obzir oko 16.000 njihovih kombinacija. Dizajneri su cijenili stotine njih tijekom rada na projektu. "Odlučili smo napustiti krila, kao na Buranu ili Space Shuttleu", kažu oni. - Uglavnom, u gornjoj atmosferi, ometaju samo svemirske letjelice. Takvi brodovi ulaze u atmosferu hipersoničnom brzinom ništa bolje od "željeza", a tek nadzvučnom brzinom prelaze u horizontalni 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 velikim brzinama. Raketa već u gornjim slojevima atmosfere prima podizanje koje joj omogućuje ne samo kočenje ovdje, već i manevriranje. To, pak, omogućuje izvođenje potrebnih manevara 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.
Podsjetimo se i na Falcon 9 i na New Shepard: u vertikalnom slijetanju danas nema ništa nemoguće ili čak neobično. Istodobno, omogućuje snalaženje sa znatno manje sila tijekom izgradnje i rada piste - pista na koju su iskrcali isti šatlovi i Buran morala je imati dužinu od nekoliko kilometara kako bi vozilo kočilo pri brzinom stotinama kilometara na sat. „KRUNA u principu može čak poletjeti s platforme na moru i sletjeti na nju“, dodaje jedan od autora projekta, „konačna tačnost slijetanja bit će oko 10 m, raketa se spušta na uvlačne pneumatske amortizere.” Ostaje samo izvršiti dijagnostiku, napuniti gorivo, postaviti novi teret - i moći ćete ponovo letjeti.
KORONA se i dalje implementira u nedostatku sredstava, pa su programeri dizajnerskog biroa Makeev uspjeli doći samo do završnih faza nacrta. „Ovu smo fazu prošli gotovo potpuno i potpuno neovisno, bez vanjske podrške. Već smo učinili sve što se moglo učiniti - kažu dizajneri. - Znamo šta, 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 lansiranje velikih razmjera; nakon što dobiju potrebnu podršku, dizajneri su spremni započeti letačka ispitivanja za šest godina, 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. Istovremeno, povrat ulaganja može se očekivati nakon sedam godina korištenja rakete, ako broj komercijalnih lansiranja ostane na sadašnjem nivou, 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. Tada će KRUNA pristati uz drugi, "tanker", koji će napuniti svoje rezervoare 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 ih nakon svakog lansiranja. Samo takav pristup može osigurati stvaranje stabilnog dvosmjernog prometnog toka između Zemlje i orbite, a ujedno i početak stvarne, aktivne eksploatacije svemira u blizini Zemlje.
U međuvremenu, KRUNA ostaje u limbu, rad na Novom Shepardu se nastavlja. Sličan japanski projekat RVT se također razvija. Ruski programeri 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.
