Man glaubt, dass sich Technologien immer schrittweise entwickeln, vom Einfachen zum Komplexen, vom Steinmesser zum Stahl – und erst dann zur programmierten Fräsmaschine. Das Schicksal der Weltraumrakete stellte sich jedoch als weniger eindeutig heraus. Die Entwicklung einfacher, zuverlässiger einstufiger Raketen blieb für Konstrukteure lange Zeit unzugänglich. Gefragt waren Lösungen, die weder Materialwissenschaftler noch Motoreningenieure anbieten konnten. Bislang bleiben Trägerraketen mehrstufig und wegwerfbar: Ein unglaublich komplexes und teures System wird für wenige Minuten verwendet und dann weggeworfen
„Stellen Sie sich vor, Sie würden vor jedem Flug ein neues Flugzeug zusammenbauen: Sie würden den Rumpf mit den Tragflächen verbinden, elektrische Kabel verlegen, die Triebwerke einbauen und nach der Landung auf eine Deponie schicken … Sie werden nicht weit fliegen das“, sagten uns die Entwickler des State Missile Center. Makeeva. „Aber genau das tun wir jedes Mal, wenn wir Fracht in den Orbit schicken. Natürlich möchte im Idealfall jeder eine zuverlässige einstufige „Maschine“haben, die nicht montiert werden muss, sondern betankt und gestartet am Kosmodrom ankommt. Und dann kommt es zurück und fängt wieder an - und wieder …
Auf halbem Weg
Im Großen und Ganzen versuchte die Raketentechnik, mit einer Phase aus den frühesten Projekten auszukommen. In den ersten Skizzen von Tsiolkovsky tauchen genau solche Strukturen auf. Er gab diese Idee erst später auf, da er erkannte, dass die Technologien des frühen 20. Jahrhunderts diese einfache und elegante Lösung nicht ermöglichten. In den 1960er Jahren erwachte wieder das Interesse an einstufigen Trägern, und auf beiden Seiten des Ozeans wurden solche Projekte ausgearbeitet. In den 1970er Jahren arbeiteten die Vereinigten Staaten an den einstufigen Raketen SASSTO, Phoenix und mehreren Lösungen auf Basis der S-IVB, der dritten Stufe der Saturn-V-Trägerrakete, die Astronauten zum Mond brachte.
„Eine solche Option würde sich in der Tragfähigkeit nicht unterscheiden, dafür waren die Triebwerke nicht gut genug – aber trotzdem wäre es einstufig, durchaus in der Lage, in die Umlaufbahn zu fliegen“, so die Ingenieure weiter. "Das wäre natürlich wirtschaftlich völlig ungerechtfertigt." Erst in den letzten Jahrzehnten sind Verbundwerkstoffe und Technologien zu deren Verarbeitung aufgetaucht, die es ermöglichen, den Träger einstufig und darüber hinaus wiederverwendbar zu machen. Die Kosten einer solchen "wissenschaftsintensiven" Rakete werden höher sein als die eines traditionellen Designs, aber sie werden über viele Starts "verteilt", so dass der Startpreis viel niedriger sein wird als das übliche Niveau.
Die Wiederverwendbarkeit von Medien ist heute das Hauptziel von Entwicklern. Die Systeme Space Shuttle und Energia-Buran waren teilweise wiederverwendbar. Getestet wird der wiederholte Einsatz der ersten Stufe für SpaceX Falcon 9. SpaceX hat bereits mehrere erfolgreiche Landungen gemacht und wird Ende März versuchen, eine der ins All geflogenen Stufen wieder zu starten. „Unserer Meinung nach kann dieser Ansatz die Idee, ein echtes wiederverwendbares Medium zu schaffen, nur diskreditieren“, stellt das Makeev Design Bureau fest. "So eine Rakete muss man noch nach jedem Flug aussortieren, Anschlüsse einbauen und neue Einwegkomponenten einbauen … und wir sind wieder da, wo wir angefangen haben."
Voll wiederverwendbare Medien gibt es nach wie vor nur in Form von Projekten – mit Ausnahme des New Shepard der amerikanischen Firma Blue Origin. Bisher ist die Rakete mit bemannter Kapsel nur für suborbitale Flüge von Weltraumtouristen ausgelegt, aber die meisten der in diesem Fall gefundenen Lösungen lassen sich leicht für einen ernsthafteren Orbitalträger skalieren. Vertreter des Unternehmens verbergen ihre Pläne, eine solche Option zu schaffen, für die bereits leistungsstarke Motoren BE-3 und BE-4 entwickelt werden, nicht. „Mit jedem suborbitalen Flug nähern wir uns dem Orbit“, versicherte Blue Origin. Aber auch ihr vielversprechender Träger New Glenn wird nicht vollständig wiederverwendbar sein: Nur der erste Block, der auf Basis des bereits getesteten New Shepard-Designs erstellt wurde, soll wiederverwendet werden.
Materialbeständigkeit
Die für voll wiederverwendbare und einstufige Raketen benötigten CFK-Werkstoffe werden seit den 1990er Jahren in der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt. In diesen Jahren begannen die Ingenieure von McDonnell Douglas schnell mit der Umsetzung des Delta Clipper (DC-X)-Projekts und konnten sich heute eines fertigen und fliegenden Kohlefaserträgers rühmen. Leider wurde auf Druck von Lockheed Martin die Arbeit an DC-X eingestellt, die Technologien wurden an die NASA übertragen, wo sie versuchten, sie für das erfolglose VentureStar-Projekt zu verwenden, woraufhin viele an diesem Thema beteiligte Ingenieure bei Blue Origin arbeiteten. und das Unternehmen selbst wurde von Boeing übernommen.
In den gleichen 1990er Jahren interessierte sich der russische SRK Makeev für diese Aufgabe. Seitdem hat das KORONA-Projekt ("Weltraumrakete, einstufiger Träger von [Weltraum-]Fahrzeugen") eine spürbare Entwicklung durchgemacht und Zwischenversionen zeigen, wie Design und Layout immer einfacher und perfekter wurden. Nach und nach verzichteten die Entwickler auf komplexe Elemente – wie Flügel oder externe Kraftstofftanks – und kamen zu der Einsicht, dass das Hauptmaterial der Karosserie Kohlefaser sein sollte. Zusammen mit dem Aussehen veränderten sich sowohl das Gewicht als auch die Tragfähigkeit. „Selbst mit den besten modernen Materialien ist es unmöglich, eine einstufige Rakete mit einem Gewicht von weniger als 60 bis 70 Tonnen zu bauen, während ihre Nutzlast sehr gering ist“, sagt einer der Entwickler. - Aber mit zunehmender Startmasse hat die Struktur (bis zu einer gewissen Grenze) einen immer geringeren Anteil, und es wird immer rentabler, sie zu nutzen. Für eine Orbitalrakete liegt dieses Optimum bei etwa 160-170 Tonnen, ab dieser Größenordnung ist der Einsatz bereits gerechtfertigt.“
In der neuesten Version des KORONA-Projekts ist die Startmasse sogar noch höher und nähert sich 300 Tonnen Eine so große einstufige Rakete erfordert den Einsatz eines hocheffizienten Flüssigtreibstoff-Triebwerks, das mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben wird. Im Gegensatz zu Triebwerken in getrennten Stufen muss ein solches Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk unter sehr unterschiedlichen Bedingungen und in unterschiedlichen Höhen betrieben werden können, einschließlich Start und Flug außerhalb der Atmosphäre. „Ein konventionelles Flüssigtreibstoff-Triebwerk mit Laval-Düsen ist nur in bestimmten Höhenbereichen wirksam“, erklären die Makeevka-Konstrukteure, „daher kamen wir auf die Notwendigkeit, ein Wedge-Air-Raketentriebwerk einzusetzen.“Der Gasstrahl in solchen Triebwerken passt sich dem Druck „über Bord“an und behält seine Effizienz sowohl an der Oberfläche als auch hoch in der Stratosphäre.
Bisher gibt es weltweit keinen funktionierenden Motor dieser Art, obwohl er sowohl in unserem Land als auch in den USA behandelt wurde und wird. In den 1960er Jahren testeten Rocketdyne-Ingenieure solche Motoren auf einem Stand, aber sie kamen nicht zum Einbau in Raketen. CROWN sollte mit einer modularen Version ausgestattet werden, bei der die Keilluftdüse das einzige Element ist, das noch keinen Prototyp hat und nicht getestet wurde. Es gibt auch alle Technologien zur Herstellung von Verbundteilen in Russland - sie wurden entwickelt und werden beispielsweise am Allrussischen Institut für Luftfahrtmaterialien (VIAM) und bei OJSC „Kompozit“erfolgreich eingesetzt.
Vertikale Passform
Beim Fliegen in der Atmosphäre wird die kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffstruktur der CORONA mit von VIAM für die Burans entwickelten Hitzeschutzplatten belegt und seitdem spürbar verbessert.„Die Hauptwärmebelastung unserer Rakete konzentriert sich auf ihre“Nase “, wo Hochtemperatur-Wärmeschutzelemente verwendet werden, erklären die Konstrukteure. - In diesem Fall haben die sich ausdehnenden Seiten der Rakete einen größeren Durchmesser und stehen in einem spitzen Winkel zum Luftstrom. Die thermische Belastung ist geringer, was die Verwendung leichterer Materialien ermöglicht. Dadurch haben wir mehr als 1,5 Tonnen eingespart, wobei die Masse des Hochtemperaturteils 6% der Gesamtmasse des Wärmeschutzes nicht überschreitet. Zum Vergleich: Es macht mehr als 20 % der Shuttles aus.“
Das schlanke, sich verjüngende Design der Medien ist das Ergebnis unzähliger Versuche und Irrtümer. Nimmt man nach Angaben der Entwickler nur die wichtigsten Merkmale eines möglichen wiederverwendbaren einstufigen Trägers, muss man etwa 16.000 Kombinationen davon in Betracht ziehen. Hunderte von ihnen wurden von den Designern während der Arbeit an dem Projekt geschätzt. „Wir haben uns entschieden, die Flügel aufzugeben, wie bei der Buran oder dem Space Shuttle“, sagen sie. - Im Großen und Ganzen stören sie in der oberen Atmosphäre nur Raumfahrzeuge. Solche Schiffe dringen mit Hyperschallgeschwindigkeit nicht besser als ein "Eisen" in die Atmosphäre ein, und erst bei Überschallgeschwindigkeit schalten sie in den Horizontalflug um und können sich richtig auf die Aerodynamik der Tragflächen verlassen."
Die achsensymmetrische Kegelform ermöglicht nicht nur einen leichteren Wärmeschutz, sondern hat auch eine gute Aerodynamik bei sehr hohen Geschwindigkeiten. Bereits in den oberen Schichten der Atmosphäre erhält die Rakete einen Auftrieb, der es ihr erlaubt, hier nicht nur zu bremsen, sondern auch zu manövrieren. Dies wiederum ermöglicht es, die erforderlichen Manöver in großer Höhe in Richtung des Landeplatzes durchzuführen und im zukünftigen Flug nur noch das Bremsen abzuschließen, den Kurs zu korrigieren und mit schwachen Manövriermotoren nach hinten abzubiegen.
Erinnern Sie sich sowohl an die Falcon 9 als auch an die New Shepard: Es gibt heute nichts Unmögliches oder sogar Ungewöhnliches bei der vertikalen Landung. Gleichzeitig ermöglicht sie es, beim Bau und Betrieb der Start- und Landebahn mit deutlich weniger Kräften auszukommen – die Start- und Landebahn, auf der die gleichen Shuttles und Buran landeten, musste eine Länge von mehreren Kilometern haben, um das Fahrzeug auf bremsen zu können eine Geschwindigkeit von Hunderten von Kilometern pro Stunde. „Die CROWN kann im Prinzip sogar von einer Offshore-Plattform starten und darauf landen“, ergänzt einer der Autoren des Projekts, „die endgültige Landegenauigkeit wird etwa 10 m betragen, die Rakete wird auf einziehbare pneumatische Stoßdämpfer abgesenkt“.“Nur noch Diagnose durchführen, tanken, neue Nutzlast platzieren – und schon kann es wieder losfliegen.
KORONA wird mangels Finanzierung immer noch implementiert, so dass es den Entwicklern des Makeev Design Bureau gelungen ist, nur die Endphase des Entwurfsentwurfs zu erreichen. „Wir haben diese Phase fast vollständig und völlig eigenständig, ohne externe Unterstützung, bestanden. Wir haben bereits alles getan, was getan werden konnte, sagen die Designer. - Wir wissen, was, wo und wann produziert werden soll. Jetzt müssen wir uns dem praktischen Design, der Produktion und der Entwicklung von Schlüsseleinheiten zuwenden, und das erfordert Geld, also hängt jetzt alles von ihnen ab."
Verzögerter Start
Die CFK-Rakete erwartet nur einen großangelegten Start; nach Erhalt der notwendigen Unterstützung sind die Konstrukteure bereit, in sechs Jahren und in sieben bis acht Jahren mit Flugversuchen zu beginnen - um den experimentellen Betrieb der ersten Raketen zu beginnen. Sie schätzen, dass dafür weniger als 2 Milliarden Dollar benötigt werden – nicht viel für Raketenstandards. Gleichzeitig ist nach sieben Jahren Nutzung der Rakete mit einem Return on Investment zu rechnen, wenn die Zahl der kommerziellen Starts auf dem aktuellen Niveau bleibt, oder sogar in 1,5 Jahren - wenn sie mit den prognostizierten Raten wächst.
Darüber hinaus ermöglicht das Vorhandensein von Manövriertriebwerken, Rendezvous- und Andockeinrichtungen an der Rakete auch komplexe Startpläne für mehrere Starts. Nachdem der Brennstoff nicht zum Landen, sondern zum Fertigstellen der Nutzlast verbraucht wurde, ist es möglich, ihn auf eine Masse von mehr als 11 Tonnen zu bringen. Dann dockt die CROWN an den zweiten "Tanker" an, der seine Tanks mit zusätzlichem Treibstoff befüllt, der für die Rückfahrt benötigt wird. Aber noch viel wichtiger ist die Wiederverwendbarkeit, die uns zum ersten Mal von der Notwendigkeit befreit, die Medien vor jedem Start zu sammeln – und nach jedem Start zu verlieren. Nur ein solcher Ansatz kann die Schaffung eines stabilen wechselseitigen Verkehrsflusses zwischen der Erde und der Umlaufbahn und gleichzeitig den Beginn einer echten, aktiven und großflächigen Nutzung des erdnahen Weltraums gewährleisten.
In der Zwischenzeit bleibt die CROWN in der Schwebe, die Arbeit an New Shepard geht weiter. Ein ähnliches japanisches Projekt entwickelt RVT ebenfalls. Russische Entwickler haben möglicherweise einfach nicht genug Unterstützung für einen Durchbruch. Wenn Sie ein paar Milliarden übrig haben, ist dies eine weitaus bessere Investition als selbst die größte und luxuriöseste Yacht der Welt.
