Heute kennen viele von uns die Familie der teilweise wiederverwendbaren Trägerraketen des privaten Unternehmens SpaceX oder haben zumindest davon gehört. Dank des Erfolgs des Unternehmens sowie der Persönlichkeit des Gründers Elon Musk, der selbst oft zum Helden von Newsfeeds wird, verlassen Falcon-9-Raketen, SpaceX und Raumfahrt im Allgemeinen die Seiten der internationalen Presse nicht. Gleichzeitig hatte und hat Russland eigene Entwicklungen und nicht minder interessante Projekte von wiederverwendbaren Raketen, über die viel weniger bekannt ist. Die Antwort auf die Frage, warum dies geschieht, liegt auf der Hand. Ilona Masks Raketen fliegen regelmäßig ins All, und wiederverwendbare und teilweise wiederverwendbare russische Raketen sind bisher nur Projekte, Zeichnungen und schöne Bilder in Präsentationen.
Weltraum startet heute
Heute können wir mit Sicherheit sagen, dass Roskosmos das Thema wiederverwendbare Raketen irgendwann verpasst hat und Entwicklungen und Projekte in der Hand hatte, die anderen Ländern um mehrere Jahre voraus waren. Alle Projekte russischer wiederverwendbarer Raketen wurden nie abgeschlossen, nicht in Metall umgesetzt. So wurde beispielsweise die von 1992 bis 2012 entwickelte wiederverwendbare einstufige Trägerrakete Korona nie zu Ende geführt. Das Ergebnis dieser Fehleinschätzung sehen wir bereits in der Entwicklung. Russland hat mit dem Aufkommen der amerikanischen Falcon 9-Rakete und ihrer Varianten seine Positionen auf dem Markt für kommerzielle Weltraumstarts ernsthaft verloren und ist auch in Bezug auf die Anzahl der Weltraumstarts pro Jahr stark unterlegen. Ende 2018 berichtete Roscosmos über 20 Weltraumstarts (einer erfolglos), während Roscosmos-Chef Igor Komarov im April 2018 in einem Interview mit TASS sagte, dass geplant seien 30 Weltraumstarts durch die Jahresende. Spitzenreiter Ende letzten Jahres war China mit 39 Weltraumstarts (einer erfolglos), an zweiter Stelle die USA mit 31 Weltraumstarts (keine erfolglosen).
Wenn man über moderne Raumflüge spricht, muss man verstehen, dass bei den Gesamtkosten für den Start einer modernen Trägerrakete (LV) der Hauptkostenposten die Rakete selbst ist. Sein Körper, Treibstofftanks, Motoren - all das fliegt für immer davon, verbrennt in den dichten Schichten der Atmosphäre, es ist klar, dass solche unwiederbringlichen Kosten jeden Start einer Trägerrakete zu einem sehr teuren Vergnügen machen. Nicht die Wartung von Raumhäfen, kein Treibstoff, keine Montagearbeiten vor dem Start, sondern der Preis der Trägerrakete selbst ist der Hauptausgabenposten. Ein sehr komplexes technologisches Produkt des Ingenieurdenkens wird für einige Minuten verwendet und danach vollständig zerstört. Dies gilt natürlich auch für Einwegraketen. Die Idee, wiederherstellbare Trägerraketen zu verwenden, bietet sich hier von selbst an, als echte Chance, die Kosten jedes Weltraumstarts zu senken. In diesem Fall senkt sogar die Rückgabe nur der ersten Stufe die Kosten für jeden Start.
Landung der wiederverwendbaren ersten Stufe der Falcon 9-Trägerrakete
Es ist ein ähnliches Schema, das vom amerikanischen Milliardär Elon Musk implementiert wurde und die erste Stufe der schweren Trägerrakete Falcon 9 wiederherstellbar macht Die gescheiterten Landungen gingen 2017 und 2018 auf fast null zurück. Zum Beispiel gab es im letzten Jahr nur einen Fehlschlag für jeweils 10 erfolgreiche Landungen der ersten Etappe. Gleichzeitig eröffnete SpaceX auch mit einer erfolgreichen Landung der ersten Etappe das neue Jahr. Am 11. Januar 2019 landete die erste Stufe der Falcon 9-Rakete erfolgreich auf einer schwimmenden Plattform, außerdem wurde sie wiederverwendet und zuvor im September 2018 den Kommunikationssatelliten Telestar 18V in die Umlaufbahn gebracht. Heutzutage sind solche Mehrweg-Anfangsstufen bereits vollendete Tatsachen. Doch als die Vertreter des amerikanischen privaten Raumfahrtunternehmens nur über ihr Projekt sprachen, zweifelten viele Experten an einer erfolgreichen Umsetzung.
In der heutigen Realität kann die erste Stufe einer schweren Falcon 9-Rakete bei einigen Starts in einer Wiedereintrittsversion verwendet werden. Wenn die zweite Stufe der Rakete auf eine ausreichende Höhe gebracht wird, trennt sie sich in einer Höhe von etwa 70 Kilometern von ihr, das Abdocken erfolgt etwa 2,5 Minuten nach dem Start der Trägerrakete (die Zeit hängt von den jeweiligen Startaufgaben ab). Nach der Trennung vom LV führt die erste Stufe unter Verwendung des installierten Lageregelungssystems ein kleines Manöver aus, um die Flammen der arbeitenden Triebwerke der zweiten Stufe zu vermeiden und die Triebwerke in Vorbereitung auf die drei Hauptbremsmanöver vorwärts zu drehen. Bei der Landung nutzt die erste Stufe ihre eigenen Motoren zum Bremsen. Es ist erwähnenswert, dass die zurückgegebene Bühne dem Start eigene Beschränkungen auferlegt. Beispielsweise wird die maximale Nutzlast einer Falcon 9-Rakete um 30-40 Prozent reduziert. Dies liegt an der Notwendigkeit, Treibstoff für das Bremsen und die anschließende Landung zu reservieren, sowie das zusätzliche Gewicht der installierten Landeausrüstung (Gitterruder, Landestützen, Steuerungselemente usw.).
Die Erfolge der Amerikaner und eine große Serie erfolgreicher Starts blieben in der Welt nicht unbemerkt, was zu einer Reihe von Aussagen über den Beginn von Projekten mit teilweiser Wiederverwendbarkeit von Raketen führte, einschließlich der Rückkehr von Seitenverstärkern und der ersten Stufe zurück zur Erde. Dazu sprachen auch Vertreter von Roskosmos. Das Unternehmen begann Anfang 2017 über die Wiederaufnahme der Arbeiten zur Herstellung wiederverwendbarer Raketen in Russland zu sprechen.
Trägerrakete "Korona" - Gesamtansicht
Wiederverwendbare Korona-Rakete und frühere Projekte
Es ist erwähnenswert, dass die Idee von wiederverwendbaren Raketen bereits in der Sowjetunion untersucht wurde. Nach dem Zusammenbruch des Landes ist dieses Thema nicht verschwunden, die Arbeit in diese Richtung wurde fortgesetzt. Sie begannen viel früher, als Elon Musk gerade darüber sprach. Zum Beispiel sollten die Blöcke der ersten Stufe der superschweren sowjetischen Rakete Energia zurückgegeben werden, dies war aus wirtschaftlichen Gründen und zur Nutzung der Ressourcen der RD-170-Triebwerke erforderlich, die für mindestens 10 Flüge ausgelegt waren.
Weniger bekannt ist das Projekt der Rossiyanka-Trägerrakete, die von den Spezialisten des Akademiemitglieds V. P. Makeev State Rocket Center entwickelt wurde. Dieses Unternehmen ist vor allem für seine militärischen Entwicklungen bekannt. Hier wurden beispielsweise die meisten inländischen ballistischen Raketen zur Bewaffnung von U-Booten hergestellt, darunter die ballistischen Raketen R-29RMU Sineva, die derzeit bei der russischen U-Boot-Flotte im Einsatz sind.
Dem Projekt zufolge war die Rossiyanka eine zweistufige Trägerrakete, deren erste Stufe wiederverwendbar war. Im Wesentlichen die gleiche Idee wie die SpaceX-Ingenieure, aber ein paar Jahre früher. Die Rakete sollte 21,5 Tonnen Fracht in eine niedrige Referenzumlaufbahn bringen - Indikatoren in der Nähe der Falcon 9-Rakete. Die Rückkehr der ersten Stufe sollte aufgrund der Wiederaufnahme der Standardstufentriebwerke entlang einer ballistischen Flugbahn erfolgen. Bei Bedarf könnte die Tragfähigkeit der Rakete auf 35 Tonnen erhöht werden. Am 12. Dezember präsentierte das Makeyev SRC seine neue Rakete beim Roskosmos-Wettbewerb für die Entwicklung wiederverwendbarer Trägerraketen, aber der Auftrag zur Herstellung solcher Geräte ging an die Konkurrenten des staatlichen Forschungs- und Produktions-Raumfahrtzentrums Chrunitschew mit dem Baikal-Angara Projekt. Höchstwahrscheinlich hätten die Spezialisten des SRK Makeev die Kompetenz gehabt, ihr Projekt umzusetzen, aber ohne ausreichende Aufmerksamkeit und Finanzierung war dies nicht möglich.
Das Baikal-Angara-Projekt war noch ehrgeiziger, es war eine Flugzeugversion der ersten Etappe der Rückkehr zur Erde. Geplant war, dass sich nach Erreichen der eingestellten Höhe des Abteils zunächst ein Spezialflügel öffnet und dann mit ausgefahrenem Fahrwerk ein Flugzeug bei einer Landung auf einem konventionellen Flugplatz entlangfliegt. Ein solches System selbst ist jedoch nicht nur sehr aufwendig, sondern auch teuer. Zu ihren unbestreitbaren Verdiensten gehörte die Tatsache, dass sie aus größerer Entfernung zurückkehren konnte. Leider wurde das Projekt nie realisiert, es wird noch manchmal daran erinnert, aber mehr nicht.
Jetzt denkt die Welt über vollständig wiederverwendbare Trägerraketen nach. Elon Musk kündigte das Big Falcon Rocket-Projekt an. Eine solche Rakete sollte eine für die moderne Kosmonautik untypische zweistufige Architektur erhalten; ihre zweite Stufe ist ein einziges Ganzes mit einem Raumfahrzeug, das entweder Fracht oder Passagier sein kann. Es ist geplant, dass die erste Stufe von Superheavy zur Erde zurückkehrt und eine vertikale Landung auf dem Kosmodrom durch den Einsatz seiner Triebwerke durchführt. Diese Technologie wurde bereits von den SpaceX-Ingenieuren perfekt entwickelt. Die zweite Stufe der Rakete wird zusammen mit einem Raumschiff (tatsächlich handelt es sich um ein Raumschiff für verschiedene Zwecke), das Starship genannt wurde, in die Erdumlaufbahn eintreten. Die zweite Stufe wird auch noch genug Treibstoff haben, um nach Abschluss einer Weltraummission in den dichten Schichten der Atmosphäre abzubremsen und auf einer Offshore-Plattform zu landen.
Es ist erwähnenswert, dass SpaceX bei einer solchen Idee auch keine Hand hat. In Russland wird seit den 1990er Jahren das Projekt einer wiederverwendbaren Trägerrakete entwickelt. Und wieder arbeiteten sie an dem Projekt im State Rocket Center, das nach dem Akademiemitglied V. P. Makeev benannt ist. Das Projekt der wiederverwendbaren russischen Rakete hat den schönen Namen "Korona". Roskosmos erinnerte sich 2017 an dieses Projekt, woraufhin verschiedene Kommentare zur Wiederaufnahme dieses Projekts folgten. Im Januar 2018 veröffentlichte die Rossiyskaya Gazeta beispielsweise die Nachricht, dass Russland die Arbeit an einer wiederverwendbaren Weltraumrakete wieder aufgenommen habe. Es ging um die Trägerrakete Korona.
Im Gegensatz zur amerikanischen Falcon-9-Rakete hat die russische Korona keine abnehmbaren Stufen, sondern ist ein einzelnes Raumschiff mit sanftem Start und Landung. Laut Vladimir Degtyar, Generaldesigner des SRC Makeyev, soll dieses Projekt den Weg für die Umsetzung von bemannten Langstreckenflügen ebnen. Es ist geplant, dass das Hauptstrukturmaterial der neuen russischen Rakete Kohlefaser sein wird. Gleichzeitig soll die "Korona" Raumschiffe in erdnahe Umlaufbahnen mit einer Höhe von 200 bis 500 Kilometern befördern. Die Masse der Trägerrakete beträgt etwa 300 Tonnen. Die Masse der Ausgangsnutzlast beträgt 7 bis 12 Tonnen. Start und Landung der „Korona“sollen mit vereinfachten Startanlagen erfolgen, darüber hinaus wird die Möglichkeit erarbeitet, eine Mehrwegrakete von Offshore-Plattformen aus zu starten. Die neue Trägerrakete wird dieselbe Plattform für Start und Landung nutzen können. Die Raketenvorbereitungszeit für den nächsten Start beträgt nur etwa einen Tag.
Es sei darauf hingewiesen, dass in der Luft- und Raumfahrttechnik seit den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts Kohlefasermaterialien verwendet werden, die für die Herstellung von einstufigen und wiederverwendbaren Raketen erforderlich sind. Seit Anfang der 1990er Jahre hat das Korona-Projekt einen langen Weg zurückgelegt und sich stark weiterentwickelt, natürlich ging es zunächst um eine einmalige Rakete. Gleichzeitig wurde das Design der zukünftigen Rakete im Laufe der Evolution einfacher und perfekter. Nach und nach verzichteten die Entwickler der Rakete auf die Verwendung von Flügeln und externen Treibstofftanks, da sie zu der Einsicht gelangt waren, dass das Hauptmaterial des wiederverwendbaren Raketenkörpers Kohlefaser sein würde.
In der bisher neuesten Version der wiederverwendbaren Korona-Rakete nähert sich ihre Masse 280-290 Tonnen. Eine so große einstufige Trägerrakete erfordert einen hocheffizienten Flüssigtreibstoff-Raketenmotor, der mit Wasserstoff und Sauerstoff betrieben wird. Im Gegensatz zu Raketentriebwerken, die auf separaten Stufen platziert sind, sollte ein solches Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk unter verschiedenen Bedingungen und in unterschiedlichen Höhen effektiv arbeiten, einschließlich Start und Flug außerhalb der Erdatmosphäre. "Ein gewöhnlicher Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk mit Laval-Düsen ist nur in bestimmten Höhenbereichen effektiv", sagen die Makeevka-Designer. Der Gasstrahl in solchen Raketentriebwerken passt sich dem Druck „über Bord“an, zudem behalten sie ihre Leistungsfähigkeit sowohl an der Erdoberfläche als auch recht hoch in der Stratosphäre.
RN "Korona" im Orbitalflug mit geschlossenem Nutzlastraum, Render
Bisher existiert jedoch auf der Welt einfach kein funktionierender Motor dieser Art, obwohl sie in der UdSSR und den USA aktiv entwickelt wurden. Experten gehen davon aus, dass die Mehrweg-Trägerrakete Korona mit einer modularen Version des Triebwerks ausgestattet werden sollte, bei der die Keilluftdüse das einzige Element ist, das derzeit keinen Prototyp hat und nicht in der Praxis getestet wurde. Gleichzeitig verfügt Russland über eigene Technologen bei der Herstellung moderner Verbundwerkstoffe und deren Teile. Ihre Entwicklung und Anwendung sind beispielsweise bei JSC "Composite" und dem Allrussischen Institut für Luftfahrtmaterialien (VIAM) recht erfolgreich.
Für einen sicheren Flug in der Erdatmosphäre wird die Kohlefaserstruktur der Korona durch eine Hitzeschutzkachel geschützt, die zuvor bei VIAM für die Raumsonde Buran entwickelt wurde und seitdem einen bedeutenden Entwicklungsweg durchlaufen hat. „Die Hauptwärmebelastung der Korona konzentriert sich auf ihren Bug, wo Hochtemperatur-Wärmeschutzelemente verwendet werden“, stellen die Designer fest. „Gleichzeitig haben die ausgestellten Seiten der Trägerrakete einen größeren Durchmesser und stehen in einem spitzen Winkel zum Luftstrom. Die thermische Belastung dieser Elemente ist geringer, was wiederum den Einsatz leichterer Materialien ermöglicht. Dadurch wird eine Gewichtseinsparung von ca. 1,5 Tonnen erreicht. Die Masse des Hochtemperaturteils der Rakete überschreitet 6 Prozent der Gesamtmasse des Wärmeschutzes für die Korona nicht. Zum Vergleich: Das Space Shuttle machte mehr als 20 Prozent aus.“
Die schlanke, sich verjüngende Form der wiederverwendbaren Rakete ist das Ergebnis vieler Versuche und Irrtümer. Laut den Entwicklern haben sie während der Arbeit an dem Projekt Hunderte von verschiedenen Optionen überprüft und bewertet. „Wir haben uns entschieden, komplett auf die Tragflächen zu verzichten, wie die des Space Shuttle oder der Raumsonde Buran“, sagen die Entwickler. - Im Großen und Ganzen stören die Flügel in den oberen Schichten der Atmosphäre nur das Raumfahrzeug. Solche Raumschiffe dringen mit Hyperschallgeschwindigkeit nicht besser als ein "Eisen" in die Atmosphäre ein und gehen erst mit Überschallgeschwindigkeit in den Horizontalflug über, wonach sie sich voll auf die Aerodynamik der Flügel verlassen können."
Die konische achsensymmetrische Form der Rakete ermöglicht nicht nur den Hitzeschutz, sondern verleiht ihr auch gute aerodynamische Eigenschaften bei hohen Fluggeschwindigkeiten. Bereits in den oberen Schichten der Atmosphäre erhält die "Korona" eine Auftriebskraft, die es der Rakete ermöglicht, nicht nur abzubremsen, sondern auch Manöver durchzuführen. Damit kann die Trägerrakete beim Flug zum Landeplatz in großer Höhe manövrieren, muss künftig nur noch den Bremsvorgang vollziehen, den Kurs korrigieren, mit kleinen Manövriertriebwerken nach achtern nach unten drehen und auf dem Boden landen.
Das Problem bei dem Projekt ist, dass Korona immer noch unter Bedingungen unzureichender Finanzierung oder völliger Abwesenheit entwickelt wird. Derzeit hat das Makeyev SRC nur einen Entwurf zu diesem Thema fertiggestellt. Laut den Daten, die während der XLII Academic Readings on Cosmonautics im Jahr 2018 bekannt gegeben wurden, wurden Machbarkeitsstudien für das Projekt zur Schaffung der Korona-Trägerrakete durchgeführt und ein effektiver Raketenentwicklungsplan erstellt. Die notwendigen Voraussetzungen für die Schaffung einer neuen Trägerrakete wurden untersucht und die Perspektiven und Ergebnisse sowohl des Entwicklungsprozesses als auch des zukünftigen Betriebs der neuen Rakete analysiert.
Nach den Nachrichten über das Crown-Projekt 2017 und 2018 herrscht wieder Schweigen … Die Perspektiven des Projekts und seiner Umsetzung sind noch unklar. SpaceX wird unterdessen im Sommer 2019 ein Testmuster seiner neuen wiederverwendbaren Big Falcon Rocket (BFR) vorstellen. Von der Erstellung eines Testmusters bis zu einer vollwertigen Rakete, die ihre Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit bestätigt, können viele Jahre vergehen, aber vorerst können wir feststellen: Elon Musk und seine Firma stellen Dinge her, die man mit Händen sehen und anfassen kann. Gleichzeitig sollte Roskosmos laut Ministerpräsident Dmitri Medwedew seine Planungen beenden und darüber reden, wohin wir in Zukunft fliegen werden. Sie müssen weniger reden und mehr tun.
