Se cree que las tecnologías siempre se desarrollan gradualmente, de simples a complejas, de un cuchillo de piedra al acero, y solo entonces a una fresadora programada. Sin embargo, el destino de los cohetes espaciales resultó ser menos sencillo. La creación de misiles de una sola etapa simples y confiables durante mucho tiempo permaneció inaccesible para los diseñadores. Se necesitaban soluciones que ni los científicos de materiales ni los ingenieros de motores podían ofrecer. Hasta ahora, los vehículos de lanzamiento siguen siendo multietapa y desechables: un sistema increíblemente complejo y costoso se usa durante unos minutos y luego se desecha
“Imagina que antes de cada vuelo ensamblarías un nuevo avión: conectarías el fuselaje a las alas, tendrías cables eléctricos, instalarías los motores, y después de aterrizar lo enviarías a un relleno sanitario … No puedes volar muy lejos”, el nos dijeron los desarrolladores del Centro Estatal de Misiles. Makeeva. “Pero eso es exactamente lo que hacemos cada vez que enviamos carga a la órbita. Por supuesto, idealmente a todos les gustaría tener una "máquina" confiable de una etapa que no requiera ensamblaje, pero que llegue al cosmódromo, reabastecida y lanzada. Y luego vuelve y comienza de nuevo, una y otra vez "…
A mitad de camino
En general, los cohetes intentaron arreglárselas con una etapa desde los primeros proyectos. En los bocetos iniciales de Tsiolkovsky, aparecen tales estructuras. Abandonó esta idea solo más tarde, al darse cuenta de que las tecnologías de principios del siglo XX no permitían realizar esta solución simple y elegante. El interés en los portaaviones de una sola etapa volvió a surgir en la década de 1960, y esos proyectos se estaban elaborando en ambos lados del océano. En la década de 1970, Estados Unidos estaba trabajando en los cohetes de una sola etapa SASSTO, Phoenix y varias soluciones basadas en el S-IVB, la tercera etapa del vehículo de lanzamiento Saturn V, que llevó astronautas a la luna.
"Tal opción no diferiría en la capacidad de carga, los motores no eran lo suficientemente buenos para esto, pero aún así sería una etapa, bastante capaz de volar a la órbita", continúan los ingenieros. "Por supuesto, económicamente sería completamente injustificado". Los compuestos y las tecnologías para trabajar con ellos han aparecido solo en las últimas décadas, lo que hace posible que el soporte sea de una etapa y, además, reutilizable. El costo de un cohete "intensivo en ciencia" será más alto que el de un diseño tradicional, pero se "distribuirá" en muchos lanzamientos, de modo que el precio de lanzamiento será significativamente más bajo que el nivel habitual.
La reutilización de los medios es el principal objetivo de los desarrolladores de hoy. Los sistemas Space Shuttle y Energia-Buran eran parcialmente reutilizables. Se está probando el uso repetido de la primera etapa para los cohetes SpaceX Falcon 9. SpaceX ya ha realizado varios aterrizajes exitosos, y a finales de marzo intentarán lanzar una de las etapas que voló al espacio nuevamente. “En nuestra opinión, este enfoque solo puede desacreditar la idea de crear un medio realmente reutilizable”, señala Makeev Design Bureau. "Todavía tienes que ordenar ese cohete después de cada vuelo, instalar conexiones y nuevos componentes desechables … y volvemos al punto de partida".
Los medios totalmente reutilizables todavía se encuentran solo en forma de proyectos, con la excepción del New Shepard de la compañía estadounidense Blue Origin. Hasta ahora, el cohete con una cápsula tripulada está diseñado solo para vuelos suborbitales de turistas espaciales, pero la mayoría de las soluciones encontradas en este caso se pueden escalar fácilmente para un portador orbital más serio. Los representantes de la compañía no ocultan sus planes para crear tal opción, para la cual ya se están desarrollando potentes motores BE-3 y BE-4. "Con cada vuelo suborbital, nos acercamos a la órbita", aseguró Blue Origin. Pero su prometedor portaequipajes New Glenn tampoco será completamente reutilizable: solo el primer bloque, creado sobre la base del diseño New Shepard ya probado, debe reutilizarse.
Resistencia material
Los materiales CFRP necesarios para los cohetes de una sola etapa y totalmente reutilizables se han utilizado en la tecnología aeroespacial desde la década de 1990. En esos mismos años, los ingenieros de McDonnell Douglas comenzaron rápidamente a implementar el proyecto Delta Clipper (DC-X), y hoy bien pueden presumir de un portador de fibra de carbono listo para usar y volador. Desafortunadamente, bajo la presión de Lockheed Martin, se suspendió el trabajo en el DC-X, las tecnologías se transfirieron a la NASA, donde intentaron usarlas para el fallido proyecto VentureStar, después de lo cual muchos ingenieros involucrados en este tema se pusieron a trabajar en Blue Origin. y Boeing se hizo cargo de la empresa.
En la misma década de 1990, el SRC Makeev ruso se interesó en esta tarea. A lo largo de los años transcurridos desde entonces, el proyecto KORONA ("Cohetes desechables naves espaciales, vehículos portadores [de] una sola etapa") ha experimentado una evolución notable, y las versiones intermedias muestran cómo el diseño y la distribución se volvieron cada vez más simples y perfectos. Poco a poco, los desarrolladores abandonaron elementos complejos, como alas o tanques de combustible externos, y llegaron a la conclusión de que el material principal del cuerpo debería ser fibra de carbono. Junto con la apariencia, tanto el peso como la capacidad de carga cambiaron. “Usando incluso los mejores materiales modernos, es imposible construir un cohete de una sola etapa que pese menos de 60-70 toneladas, mientras que su carga útil será muy pequeña”, dice uno de los desarrolladores. - Pero a medida que crece la masa inicial, la estructura (hasta cierto límite) tiene una participación cada vez menor y su uso se vuelve cada vez más rentable. Para un cohete orbital, este óptimo es de 160-170 toneladas, a partir de esta escala ya se puede justificar su uso ".
En la última versión del proyecto KORONA, la masa de lanzamiento es aún mayor y se acerca a las 300 toneladas Un cohete tan grande de una sola etapa requiere el uso de un motor a reacción de propulsante líquido altamente eficiente que funciona con hidrógeno y oxígeno. A diferencia de los motores en etapas separadas, un motor de cohete de propulsión líquida de este tipo debe poder operar en condiciones muy diferentes y a diferentes altitudes, incluido el despegue y el vuelo fuera de la atmósfera. "Un motor convencional de propulsante líquido con boquillas Laval es eficaz sólo en ciertos rangos de altitud", explican los diseñadores de Makeevka, "por lo tanto, llegamos a la necesidad de utilizar un motor de cohete de aire en cuña". El chorro de gas en tales motores se ajusta a la presión "por la borda" y siguen siendo eficientes tanto en la superficie como en lo alto de la estratosfera.
Hasta el momento no existe un motor de este tipo en funcionamiento en el mundo, aunque se han estado y se están manejando tanto en nuestro país como en USA. En la década de 1960, los ingenieros de Rocketdyne probaron dichos motores en un soporte, pero no llegaron a instalarlos en misiles. CROWN debe estar equipado con una versión modular, en la que la boquilla de aire en cuña es el único elemento que aún no tiene un prototipo y no ha sido probado. También existen todas las tecnologías para la producción de piezas compuestas en Rusia: se han desarrollado y se utilizan con éxito, por ejemplo, en el Instituto de Materiales de Aviación de toda Rusia (VIAM) y en JSC Kompozit.
Ajuste vertical
Al volar en la atmósfera, la estructura de plástico reforzado con fibra de carbono de la CORONA se cubrirá con baldosas de protección contra el calor desarrolladas por VIAM para los Burans y desde entonces se han mejorado notablemente.“La principal carga de calor de nuestro cohete se concentra en su“nariz”, donde se utilizan elementos de protección térmica de alta temperatura, explican los diseñadores. - En este caso, los lados en expansión del cohete tienen un diámetro mayor y forman un ángulo agudo con el flujo de aire. La carga térmica sobre ellos es menor, lo que permite el uso de materiales más ligeros. Como resultado, ahorramos más de 1,5 toneladas La masa de la pieza de alta temperatura no supera el 6% de la masa total de la protección térmica. A modo de comparación, representa más del 20% de los transbordadores.
El elegante diseño cónico de los medios es el resultado de innumerables pruebas y errores. Según los desarrolladores, si toma solo las características clave de un posible portador reutilizable de una sola etapa, tendrá que considerar alrededor de 16,000 combinaciones de ellas. Cientos de ellos fueron apreciados por los diseñadores mientras trabajaban en el proyecto. “Decidimos abandonar las alas, como en el Buran o el transbordador espacial”, dicen. - En general, en la atmósfera superior, solo interfieren con las naves espaciales. Tales naves entran en la atmósfera a una velocidad hipersónica no mejor que un "hierro", y sólo a una velocidad supersónica cambian al vuelo horizontal y pueden confiar adecuadamente en la aerodinámica de las alas ".
La forma del cono axisimétrico no solo permite una protección térmica más fácil, sino que también tiene una buena aerodinámica cuando se conduce a velocidades muy altas. Ya en las capas superiores de la atmósfera, el cohete recibe un impulso, lo que le permite no solo frenar aquí, sino también maniobrar. Esto, a su vez, permite realizar las maniobras necesarias a gran altura, rumbo al lugar de aterrizaje, y en el futuro vuelo, solo queda completar el frenado, corregir el rumbo y girar la popa, utilizando débiles motores de maniobra.
Recuerde tanto el Falcon 9 como el New Shepard: hoy no hay nada imposible o incluso inusual en el aterrizaje vertical. Al mismo tiempo, permite manejar con significativamente menos fuerzas durante la construcción y operación de la pista, la pista en la que aterrizaron los mismos Shuttles y Buran tenía que tener una longitud de varios kilómetros para frenar el vehículo a un ritmo velocidad de cientos de kilómetros por hora. "CROWN, en principio, puede incluso despegar de una plataforma costa afuera y aterrizar en ella", agrega uno de los autores del proyecto. Todo lo que queda es realizar diagnósticos, repostar, colocar una nueva carga útil, y puede volver a volar.
KORONA todavía se está implementando sin fondos, por lo que los desarrolladores de Makeev Design Bureau lograron llegar solo a las etapas finales del diseño preliminar. “Hemos superado esta etapa de forma casi total y completamente independiente, sin apoyo externo. Ya hemos hecho todo lo que se podía hacer, - dicen los diseñadores. - Sabemos qué, dónde y cuándo se debe producir. Ahora tenemos que pasar al diseño práctico, la producción y el desarrollo de unidades clave, y esto requiere dinero, por lo que ahora todo depende de ellos.
Comienzo demorado
El cohete CFRP solo espera un lanzamiento a gran escala; al recibir el apoyo necesario, los diseñadores están listos para comenzar las pruebas de vuelo en seis años, y en siete a ocho años, para comenzar la operación experimental de los primeros misiles. Estiman que esto requiere menos de $ 2 mil millones, no mucho para los estándares de la ciencia espacial. Al mismo tiempo, se puede esperar un retorno de la inversión después de siete años de uso del cohete, si el número de lanzamientos comerciales se mantiene en el nivel actual, o incluso en 1,5 años, si crece a las tasas proyectadas.
Además, la presencia de motores de maniobra, instalaciones de encuentro y atraque en el cohete también permite contar con complejos esquemas de lanzamiento de múltiples lanzamientos. Habiendo gastado combustible no para aterrizar, sino para terminar la carga útil, es posible llevarlo a una masa de más de 11 toneladas. Luego, el CROWN atracará con el segundo, "camión cisterna", que llenará sus tanques con el combustible adicional necesario para el regreso. Pero aún así, la reutilización es mucho más importante, lo que por primera vez nos salvará de la necesidad de recopilar los medios antes de cada lanzamiento y perderlos después de cada lanzamiento. Solo ese enfoque puede garantizar la creación de un flujo de tráfico bidireccional estable entre la Tierra y la órbita y, al mismo tiempo, el comienzo de una explotación real, activa y a gran escala del espacio cercano a la Tierra.
Mientras tanto, el CROWN permanece en el limbo, el trabajo en New Shepard continúa. También se está desarrollando un proyecto japonés similar, RVT. Es posible que los desarrolladores rusos simplemente no tengan suficiente apoyo para el avance. Si tiene un par de miles de millones de sobra, esta es una inversión mucho mejor que incluso el yate más grande y lujoso del mundo.
