Ich denke, dass viele Raumfahrtbegeisterte, die sich aktiv für die Geschichte und den aktuellen Stand der Dinge im Bereich der Weltraumforschung und -forschung interessieren, die auf dem Titelfoto eingefangene Rakete bereits erkannt haben.
Diese Rakete bzw. der Raketenbooster ist die größte jemals von der Menschheit geschaffene Feststoffrakete.
Nun, jetzt ist es noch mehr geworden.
Dies ist der seitliche Booster des Space-Shuttle-Systems, das jetzt noch größer geworden ist und neben den standardmäßigen vier Abschnitten, mit denen es mit dem Space Shuttle gestartet wurde, einen zusätzlichen fünften Abschnitt erhalten hat, der es ermöglicht, eine Rakete zu werden Booster des neuen superschweren Weltraumstartsystems der NASA, genannt SLS (Space Launch System).
Nach der Idee der NASA sollte dieses System den Vereinigten Staaten von Amerika in allen Aspekten der Weltraumforschung die Palme zurückgeben und gleichzeitig der gesamten Menschheit die Möglichkeit geben, an die Weltraumgrenze zurückzukehren und den Teufelskreis der niedrigen Erde endgültig zu durchbrechen Umlaufbahn und die Frage der Monderkundung wieder auf die Tagesordnung gesetzt und … sogar der Mars.
Wie real und machbar ist dieses ehrgeizige Programm? Versuchen wir es herauszufinden.
Vergleichende Größen von historischen, zeitgenössischen und entwickelten amerikanischen Startsystemen.
Backfill-Frage: Warum ist Delta IV größer als Falcon 9?
Der gegenwärtige Zustand der amerikanischen Kosmonautik nach dem Verlassen der Arena des Space-Shuttle-Systems ist eher beklagenswert: Die schwerste Trägerrakete, die den Vereinigten Staaten in Bezug auf ihren aktuellen Status zur Verfügung steht, ist Delta IV Heavy, die eine Ladung von 28 in die Tiefe bringen kann Erdumlaufbahn (LEO), 4 Tonnen.
Die Delta-IV-Familie erwies sich trotz der enormen Anstrengungen von Boeing in Design, Technik und Vertrieb, um ihre Nachkommen auf dem Markt zu schaffen und zu fördern, als „zur falschen Zeit und am falschen Ort“: vor dem Hintergrund der niedrigen Kosten von Starts der russischen Proton-Rakete und Für die ukrainische Zenit-3SL erwiesen sich die Kosten für den Start einer Nutzlast mit der Delta IV als ziemlich unerschwinglich.
Ein einzelner Start von "Delta IV" kostete 140-170 Millionen US-Dollar, während die Kosten für eine ähnliche Nutzlast Proton etwa 100 Millionen US-Dollar betrugen, und die Kosten für den Start eines kleineren, aber mit "Delta IV" konkurrenzfähigen ukrainischen "Zenith-3SL" war noch niedriger - nur 60 Millionen Dollar.
Die hohen Kosten für den Start von Delta IV zwangen Boeing dazu, ausschließlich staatliche Aufträge dafür einzuholen, und infolgedessen wurden alle Delta-Starts bis auf einen aus dem Budget des US-Außenministeriums bezahlt.
Start der Trägerrakete Delta IV in der Heavy-Variante. Das Startgewicht beträgt etwa 733 Tonnen.
Am Ende, Mitte der 2000er Jahre, stieg Delta IV endgültig aus dem kommerziellen Segment der Weltraumstarts aus – und konnte dort bis zur heutigen Zeit nicht mehr zurückkehren, als die Jungs vom Privatshop SpaceX, deren Falcon-Rakete, anfingen 9 näherte sich auch der Marktnische von "Delta IV", und die für 2015 geplante Modifikation der gleichen Rakete namens Falcon 9 Heavy übertraf diese sogar.
Zum Start der Falcon 9 Heavy werden 27 Merlin-Triebwerke mit je 66 Tonnen Schub, die mit Kerosin und Sauerstoff betrieben werden, auf einmal eingeschaltet.
Diese Idee von Elon Musk sollte das "private" Raumfahrtprogramm von SpaceX auf eine bisher unerreichte Höhe bringen: Für eine einmalige Version der Trägerrakete wird die Masse der zu LEO beförderten Fracht bis zu 53 Tonnen betragen, auf GPO - 21, 2 Tonnen und auf einer Flugbahn zum Mars - 13, 2 Tonnen. Mit der Rückkehr der seitlichen Booster und der Zentraleinheit wird die Tragfähigkeit 32 Tonnen pro LEO nicht überschreiten - für die Wiederverwendbarkeit der Trägerrakete müssen Sie mit zusätzlichem Treibstoffverbrauch und dadurch geringerer Nutzlast bezahlen.
Unter den technischen Innovationen während der Entwicklung des Falcon 9 Heavy hat der Entwickler die einzigartige Möglichkeit des Überlaufens von Treibstoff und Oxidationsmittel während des Fluges von den seitlichen Boostern zur ersten Stufe der Trägerrakete erklärt, was es ermöglicht, volle Treibstofftanks in der Mitte zu haben Abschnitt zum Zeitpunkt der Trennung der seitlichen Booster und verbessern die Leistung der in die Umlaufbahn gebrachten Nutzlast. …
Montage der Rümpfe der ersten Stufen der Raketen von Falcon 9. Jetzt sind bereits 8 Motoren in einem Kreis installiert, mit einem zentralen. In überfüllt, aber nicht verrückt.
Die im letzten Absatz erwähnte "Flugbahn zum Mars" ist keine Abstraktion. Mit einer Startmasse von 1.462 Tonnen, der doppelten Masse des derzeit rekordverdächtigen Delta IV, ist der schwere Falcon bereits der notwendige Schritt, um ernsthaft über Flüge zum Mond und zum Mars nachzudenken. Wenn auch in einer Konfiguration, die den sowjetischen Experimenten mit dem Gerät der Probe-Serie ähnlicher ist als dem kolossalen amerikanischen Saturn-Apollo-Programm.
In Zukunft jedoch beginnt der Weg nach oben das Konzept von "Delta IV" und Falcon 9 mit Side-Boostern, die "Klone" ihrer ersten Stufen sind, erwartungsgemäß zu rutschen.
Die Sache ist, dass es unmöglich ist, die Start-"Seitenwände" zu vervielfachen, mit denen Sie die Masse der Lastausgabe an den LEO auf unendlich erhöhen können - zwei oder vier Seitenblöcke können immer noch irgendwie an dem mittleren befestigt werden, aber dann die Komplexität der Montage und Steuerung einer solchen Mehrkomponentenstruktur wächst nur exponentiell.
Im Allgemeinen "schlief" die Korolev-Mondrakete N-1 ein, die auf der ersten Stufe 30 NK-33-Raketentriebwerke hatte, die in Verbindung mit dem fünfstufigen Schema der Rakete selbst funktionierten erlauben nicht, alle Fragen seines reibungslosen Starts bis zum Ende auszuarbeiten.
Die aktuelle Konfiguration von Falcon 9, ab sofort mit 27 Triebwerken, ist bereits an der Grenze der Komplexität und weiter wird Elon Musks Unternehmen höchstwahrscheinlich bereits die Masse und Größe einer einzelnen Raketeneinheit erhöhen müssen, was die Anforderungen sofort erhöht entlang der gesamten Kette von Produktion, Transport und Raketenstart.
Die russische vielversprechende Raketenfamilie "Angara" dürfte mit ähnlichen Problemen konfrontiert sein. Die geringe relative Größe eines Einheitsblocks führt bereits dazu, dass die Angara-A5-Rakete mit einer Startmasse von 733 Tonnen sofort vier Booster-"Seiten" (mit einer Tragfähigkeit von 24,5 Tonnen pro LEO) stellen muss.
Angara-A5 vor dem Start am 23. Dezember 2014. Zu Beginn arbeiten fünf RD-191-Triebwerke mit jeweils 196 Tonnen Schub.
Eine weitere Erhöhung der Tragfähigkeit der Angara beruht darauf, dass nicht vier, sondern sechs Raketenbooster am Sockel der zweiten Stufe angebracht werden müssen, was vielleicht schon eine Art bauliche und technische Grenze für skalierbare Paketsysteme darstellt, da die Grenze für das Falcon 9-Konzept bei 27 Merlin-1D-Triebwerken auf drei Startblöcken liegt.
Das resultierende Angara-A7-Projekt wird laut Berechnungen mit einem eigenen Startgewicht von 1370 Tonnen in der Lage sein, eine Nutzlast von 50 Tonnen nach LEO zu bringen (im Falle der Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff für die zweite Stufe), was höchstwahrscheinlich die maximale Skalierung des Raketenkonzepts der Angara-Familie sein.
Vergleich von "Angara A5" und Konzepten von "Angara A7" - mit Kerosin und Wasserstoffkraftstoff. Gleichzeitig gibt es die Antwort - warum ist das "Delta IV" groß und das Falcon 9 - klein.
Im Allgemeinen, was immer man sagen mag, Konzepte, die auf einem Raketenblock der 200- oder sogar 400-Tonnen-Klasse basieren - es stellt sich immer noch heraus, dass die strukturelle und technische Karachun-Grenze für solche "Paket" -Raketen bei einem Startgewicht im Bereich von 1300 liegt - 1500 Tonnen, was der abgezogenen Masse von 45-55 Tonnen pro LEO entspricht.
Dann ist es aber bereits notwendig, sowohl den Schub eines einzelnen Triebwerks als auch die Größe der Raketenstufe oder des Beschleunigers zu erhöhen.
Und genau diesen Weg geht das SLS-Projekt heute.
Unter Berücksichtigung der negativen Erfahrungen mit "Delta IV" versuchten die SLS-Entwickler zunächst, das Beste aus der Vergangenheit zu machen. Alles und jeder wurde verwendet: die Space-Shuttle-Raketenbooster, die zum Bau einer schweren Rakete verstärkt wurden, und die alten RS-25-Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerke des Shuttles selbst, die in der zweiten Stufe installiert wurden, und…. (Anhänger der Theorie der "Mondverschwörung" - macht euch bereit!) längst vergessene Wasserstoff-Sauerstoff-Triebwerke J-2X, die von den Triebwerken der zweiten und dritten Stufe der Mondrakete "Saturn V" abstammen und vorgeschlagen werden sollen in den projektierten Oberstufen SLS eingesetzt werden!
Darüber hinaus implizieren die langfristigen Pläne zur Verbesserung der SLS-Beschleuniger zwei konkurrierende Projekte, bei denen Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke anstelle von Festtreibstoffen eingesetzt werden: das Projekt der Firma Aerojet, das sein entwickeltes Kerosin-Sauerstoff-Triebwerk eines geschlossenen Kreislaufs AJ1E6 für die Zukunft vorstellte "schwerer" Träger, der von den NK-33 Royal H-1-Raketen stammt - und ein Projekt von Pratt & Whitney Rocketdine, die vorschlagen … (und wieder, Überraschung, Lunoskeptiker!) in den USA die Produktion von F. wiederherzustellen -1-Triebwerke, die einst die berühmte Saturn-V-Rakete von der Erde hoben.
Vielleicht kommt wieder Leben in diese Prüfstände. Erprobung der ersten Stufe des "Saturn V" - "Saturn 1C" LV im August 1968 auf dem Zyklopenprüfstand V-2. Beachten Sie, dass die Stufe auf einem Lastkahn transportiert wird.
Beteiligt sich an der Entwicklung eines zukunftsträchtigen Startbeschleunigers und des aktuellen Herstellers von Festtreibstoff-Boostern, die sich bei der Erstmontage der SLS-Trägerrakete befinden, Block I - ATK (Alliant Techsystems), der vorgeschlagen hat, den bestehenden Space-Shuttle-Booster weiter zu vergrößern durch Vergrößern von Länge und Durchmesser … Das Projekt eines vielversprechenden Beschleunigers von ATK heißt "Dark Knight".
Nun, als Sahnehäubchen - eine der zukünftigen Konfigurationen des SLS-Systems, Block Ib, beinhaltet die Verwendung einer Wasserstoff-Sauerstoff-Einheit als dritte Stufe, die von … der Delta-IV-Rakete geliehen wurde!
Dies ist, wissen Sie, "höllisches LEGO", in dem die NASA versucht hat, alle bestehenden Entwicklungen im Bereich schwerer Raketen zu bewerten, zu kombinieren und zu nutzen.
Was ist die SLS-Medienfamilie? Denn wie wir uns bereits am Beispiel von „Delta IV“, „Hangars“und Falcon 9 erinnern – können die Gesamtmaße täuschen.
Hier ist also ein einfaches Diagramm, um zu verstehen, was beabsichtigt ist:
Auf der linken Seite des Diagramms befinden sich die schweren Trägerraketen, die die Vereinigten Staaten noch hatten. Der Mond Saturn V, der eine Nutzlast von 118 Tonnen zu LEO bringen konnte, und das Space Shuttle, das das wiederverwendbare Shuttle scheinbar selbst in eine Umlaufbahn mit einem Gewicht von 120 bis 130 Tonnen gebracht zu haben schien, gleichzeitig aber nur eine sehr bescheidene Nutzlast - nur 24 Tonnen Nutzlast.
Das SLS-Konzept wird in zwei Hauptversionen umgesetzt: bemannt (Crew) und unbemannt (Cargo).
Darüber hinaus zwingt die Nichtverfügbarkeit von drei vielversprechenden Raketen-Booster-Projekten von Aerojet, Rocketdine und ATK die NASA, die verfügbaren "LEGO-Raketenteile" zu verwenden - nämlich diese sehr fünfteiligen verbesserten Space-Shuttle-Booster.
Ein so gebauter Übergangs-"Ersatz-Träger" (offiziell SLS-Block I genannt) wird jedoch nach allen Berechnungen bereits eine viel gravierendere Tragfähigkeit haben als der operierende "Delta IV" oder der Falcon 9 Heavy, der startbereit. Die Trägerrakete SLS Block I wird in der Lage sein, eine Nutzlast von 70 Tonnen nach LEO zu heben.
Im Vergleich zum SLS-Konzept werden die gestoppten Entwicklungen der NASA im Rahmen des Constellation-Programms gezeigt - die bis zum Ende noch nicht geschaffene Trägerrakete Ares (Mars), die 2009 nur einen Testflug absolvierte, im Ares 1X-Design, die aus dem gleichen modifizierten vierteiligen Space-Shuttle-Beschleuniger bestand, an den ein fünftes Testsegment und eine Prototyplast der zweiten Stufe angeschlossen waren. Zweck dieses Testfluges war es, die Funktion der ersten Festtreibstoff-Stufe in der "Single-Stick" ("log")-Anordnung zu überprüfen, jedoch muss während der Tests etwas passiert sein, als die 1. und 2. Stufe getrennt wurden, ein unerlaubter Sprung nach vorn der 1. Stufe erfolgte, verursacht höchstwahrscheinlich durch das Nachbrennen von Brennstofffragmenten, die durch den Stoß darin abgerissen wurden. Der Festtreibstoff-Booster holte schließlich das Layout der 2. Stufe ein und rammte es.
Danach wurde bei der NASA ein eher erfolgloser Versuch, aus alten Teilen ein "neues LEGO" zu bauen, eingeschränkt, das Ares-Projekt und die Constellation selbst ins Regal der erfolglosen Konzepte gestellt und aus den entwickelten Grundlagen im Rahmen der Constellation blieb nur ein recht erfolgreiches orbitales bemanntes Raumfahrzeug übrig: "Orion", das nach dem Schema der für Wegwerfschiffe üblichen Rückholkapsel gebaut wurde, die dem wiederverwendbaren Gleiter des Space Shuttles endgültig ein Ende machte.
Die Orion-Raumsonde vor ihrem ersten Start mit der Delta-IV-Rakete. Dezember 2014.
Der Durchmesser des Orion-Raumschiffs beträgt 5,3 Meter, das Gewicht des Raumschiffs beträgt etwa 25 Tonnen. Das Innenvolumen von Orion wird 2,5-mal größer sein als das Innenvolumen der Apollo-Sonde. Das Volumen der Schiffskabine beträgt ca. 9 m³. Aufgrund einer so beeindruckenden Masse für ein orbitales Raumfahrzeug und eines freien Innenvolumens kann Orion bei erdnahen Missionen in niedrigen Umlaufbahnen (zum Beispiel auf einer Expedition zur ISS) 6 Kosmonauten unterstützen.
Die Hauptaufgabe für Orion und sollte es jedoch, wie eingangs bereits erwähnt, in Umlaufbahnen jenseits des Niedrigreferenz-Trägersystems SLS bringen, ist die Rückkehr der Vereinigten Staaten zu den Aufgaben der Beherrschung des fernen erdnahen Raums und vor allem, Mond und Mars.
Für den Flug zum Mond und möglicherweise zum Mars werden die Hauptanstrengungen der Vereinigten Staaten und Russlands bei der Verbesserung ihrer Raumschiffe und Trägerraketen berechnet.
Hier wird grundsätzlich in bequemer tabellarischer Form der Unterschied zwischen dem amerikanischen "Orion" und dem russischen PPTS-System analysiert.
Für den Namen PPKS PPTS muss man natürlich sofort jemanden schlagen, aber na ja. Und generell ist bei dem PPTS-Projekt bisher leider alles sehr schwierig.
Daher haben wir zum PPTS bisher nur lustige Bilder von der Ausstellung. Aber in Wirklichkeit wurde bisher wenig getan, um zu beleidigen …
Es gibt nur ein Modell - zwischen Vergangenheit und Zukunft. Es gibt nur ein Modell - und halten Sie es fest …
Neben Finanzierungsproblemen, Missverständnissen des Konzepts und einer Vielzahl von Design- und Engineering-Fragen ist die Zukunft der PTS ungewiss und aufgrund des Fehlens einer geeigneten Trägerrakete für einige der geplanten Aufgaben. Wie gesagt, Russland hat bisher nur "Angara-A5" im Metall, die nicht mehr als 24,5 Tonnen nach LEO bringen kann, was für erdnahe Missionen durchaus reicht, aber absolut nicht genug für einen weiteren Angriff auf den Mond oder Mars.
Darüber hinaus basierte das PPTS-Konzept auf der Schaffung einer Alternative zur „Angara“-Rakete der „Rus-M“-Familie, an der ebenfalls bisher die Arbeiten eingestellt wurden.
Projekte von Raketen der Familie "Rus" nur im Vergleich zu den Familien "Sojus" und "Angara".
Der Hauptzweck der Rus-Raketenfamilie bestand darin, bemannte Flüge bereitzustellen, wodurch die Rakete unter sonst gleichen Bedingungen eine geringere Nutzlast auf der LEO hat als die Angara-Raketen. Dies liegt daran, dass bei bemannten Flügen eine der Anforderungen die Fähigkeit der Trägerrakete ist, den Start auch bei Ausfall eines der Triebwerke zu verlassen und die Fortsetzung des Fluges bei einem späteren Ausfall zu gewährleisten eines der Triebwerke - mit der Fortsetzung des Starts des Raumfahrzeugs in eine abgesenkte Umlaufbahn oder Bereitstellung von Rettung und sicherer Landung.
Diese Anforderungen, einschließlich einer speziellen Startflugbahn, die für alle Notfälle eine Überlastung der Besatzung von nicht mehr als 12 g gewährleisten sollte, und das Vorhandensein eines Notfallrettungssystems (SAS) führen zu einer erheblichen Verringerung der Tragfähigkeit des " Rus" in der bemannten Version.
Darüber hinaus wurde der Konstruktionsdurchmesser des Basisblocks "Rus" von 3,8 Metern basierend auf dem für die UdSSR und Russland traditionellen Transport von Teilen von Trägerraketen auf der Schiene gewählt.
In den Vereinigten Staaten wurden, beginnend mit dem Saturn-Apollo-Programm, die ersten Stufen der Trägerraketen bewusst auf der Grundlage der entsprechenden Größe unter Berücksichtigung der Möglichkeit ihres Transports auf dem Wasser (Küste-Meer und Fluss) hergestellt, was sehr vereinfacht die Anforderungen an die Abmessungen einer separaten Raketeneinheit …
Transport der ersten Etappe der Saturn V LV auf dem Pearl River Barge.
Heute laufen die Arbeiten an SLS und Orion, auch nach dem Zusammenbruch von Constellation, auf Hochtouren.
Mit der Fertigstellung des SLS-Blocks I, der fast vollständig auf dem bestehenden Space-Shuttle-Backlog basieren wird, plant die NASA, in die nächste, viel ehrgeizigere Phase überzugehen - SLS-Block II, mit Zwischenstopps in Form von SLS-Block Ia und SLS-Block Ib.
LEGO-Bauoption, wenn Raketen-Booster früher fertig sind. Block I, Block Ia und dann Block II.
LEGO-Bauoption, wenn die modifizierte dritte Stufe früher fertig ist. Block I, Block Ib und dann Block II.
Die Trägerrakete SLS Block Ia sollte bereits einen der vielversprechenden Raketenstartbooster erhalten: entweder von Aerojet auf einem geschlossenen Kerosin-Sauerstoff-Zyklus AJ1E6 oder von Rocketdyne auf einem modifizierten offenen F-1-Zyklus von Saturn V oder gleich auf dem neuen Festbrennstoff "Black Knight" von ATK.
Jede dieser Optionen wird in der Lage sein, der Block Ia-Struktur eine Tragfähigkeit in der LEO-Region von 105 Tonnen zu verleihen, die bereits mit der Tragfähigkeit des Saturn V und des Space Shuttles vergleichbar ist (wenn wir es mit dem Shuttle zusammenzählen.)).
Die gleichen Aufgaben werden durch die Schaffung eines großräumigen und an die Größe des gesamten Startsystems der dritten Kryostufe angepassten Systems gelöst, das das zweistufige System Block I (Startbooster und die Zentralstufe) ergänzen kann an den Space-Shuttle-Triebwerken) mit einer dritten Stufe, die für die Block-Ia-Variante wie von mir bereits erwähnt, von der Delta-IV-Rakete entlehnt sein wird und auch SLS mit der Leistung von bis zu 105 Tonnen Nutzlast an LEO versorgen wird.
Schließlich sollte das endgültige Block-II-System bereits über eine in Originalgröße gefertigte dritte SLS-Stufe verfügen, die wie die zweite Stufe des Saturn V 5 fortschrittliche J-2X-Triebwerke verwendet und 130 Tonnen Nutzlast an LEO liefert.
Aber trotz all dieser Tricks wird ein solches "Weltraum-LEGO" pro Start etwa 500 Millionen Dollar kosten, was natürlich weniger ist als die Kosten für den Start des Space Shuttles (1,3 Milliarden Dollar), aber immer noch - empfindlich genug für das Budget der NASA.
Welche Aufgaben soll SLS lösen, und warum berücksichtigt die NASA die Option Falcon 9 Heavy, die 135 Millionen Dollar für ein Einweg-Kraftstofftransfersystem und 53 Tonnen Nutzlast für LEO kosten soll?
Die Sache ist, dass die NASA den Mond, den Mars und sogar Asteroiden und Satelliten des Jupiter ins Visier genommen hat! Und für solche Aufgaben entpuppt sich die Falcon 9 Heavy als zu kleine Rakete …
Atomrakete zum Mars!
Aber das ist natürlich ein Thema für einen guten separaten Artikel….
PS. Nachdem ich meinen Artikel noch einmal gelesen habe, melde ich mich.
Wenn ich moderne russische Ansätze zur Weltraumforschung kritisiere und die Amerikaner lobe, dann gibt es dafür gute Gründe.
Im Jahr 2010 war der Zustand des amerikanischen Weltraumforschungsprogramms beklagenswert: Das Space-Shuttle-Programm sollte bereits eingestellt werden, die Ares-Starts zeigten die völlige Widersprüchlichkeit der Constellation-Ideen, alle amerikanischen Zeitungen und Zeitschriften schrieben über die „russische Weltraumsklaverei“. für die Vereinigten Staaten.
Aber in den letzten 5 Jahren hat sich die US-Raumfahrtindustrie neu gruppiert, die notwendige Finanzierung erhalten – und gelernt, unter neuen, härteren Bedingungen zu leben.
Wird sich die russische Kosmonautik in 5 Jahren damit rühmen können - insbesondere vor dem Hintergrund, dass uns dieses Jahr unglückliche Nachrichten über die Schließung der Programme Rus-M und PPTS LV, die Verschiebung des Starts des Kosmodroms Wostochny und die totale Kürzung der Roskosmos-Finanzierung?
Kommt Zeit, kommt Rat. Ich halte unsere Finger mit einem Kreuz.
