يُعتقد أن التقنيات تتطور دائمًا بشكل تدريجي ، من البسيط إلى المعقد ، من سكين الحجر إلى الفولاذ - وعندها فقط إلى آلة طحن مبرمجة. ومع ذلك ، تبين أن مصير الصواريخ الفضائية كان أقل وضوحًا. ظل إنشاء صواريخ أحادية الطور بسيطة وموثوقة لفترة طويلة بعيدًا عن متناول المصممين. كانت الحلول مطلوبة لا يمكن لعلماء المواد ولا مهندسي المحركات تقديمها. حتى الآن ، تظل مركبات الإطلاق متعددة المراحل ويمكن التخلص منها: يتم استخدام نظام معقد ومكلف بشكل لا يصدق لبضع دقائق ، وبعد ذلك يتم التخلص منه
"تخيل أنك ستجمع طائرة جديدة قبل كل رحلة: ستقوم بتوصيل جسم الطائرة بالأجنحة ، وتمديد الكابلات الكهربائية ، وتركيب المحركات ، وبعد الهبوط سترسلها إلى مكب النفايات … لن تطير بعيدًا مثل هذا ، "أخبرنا مطورو مركز الصواريخ الحكومي. ميكيفا. لكن هذا هو بالضبط ما نفعله في كل مرة نرسل فيها بضائع إلى المدار. بالطبع ، من الناحية المثالية ، يرغب الجميع في الحصول على "آلة" موثوقة من مرحلة واحدة لا تتطلب تجميعًا ، ولكنها تصل إلى الفضاء ، وتتم إعادة تزويدها بالوقود وإطلاقها. ثم يعود ويبدأ مرة أخرى - ومرة أخرى "…
في منتصف الطريق
على العموم ، حاولت صناعة الصواريخ أن تمر بمرحلة واحدة من المشاريع الأولى. في الرسومات الأولية لـ Tsiolkovsky ، تظهر هذه الهياكل فقط. تخلى عن هذه الفكرة في وقت لاحق فقط ، مدركًا أن تقنيات أوائل القرن العشرين لم تسمح بإدراك هذا الحل البسيط والأنيق. ظهر الاهتمام بالناقلات أحادية المرحلة مرة أخرى في الستينيات ، وكان يتم العمل على مثل هذه المشاريع على جانبي المحيط. بحلول سبعينيات القرن الماضي ، كانت الولايات المتحدة تعمل على صواريخ أحادية المرحلة SASSTO و Phoenix والعديد من الحلول القائمة على S-IVB ، المرحلة الثالثة من مركبة الإطلاق Saturn V ، والتي سلمت رواد الفضاء إلى القمر.
"مثل هذا الخيار لن يختلف في القدرة الاستيعابية ، والمحركات لم تكن جيدة بما فيه الكفاية لهذا - ولكن مع ذلك ستكون مرحلة واحدة ، قادرة تمامًا على الطيران في المدار ،" يتابع المهندسون. "بالطبع ، من الناحية الاقتصادية سيكون ذلك غير مبرر على الإطلاق". لم تظهر المركبات وتقنيات العمل معها إلا في العقود الأخيرة ، مما يجعل من الممكن جعل الناقل على مرحلة واحدة ، علاوة على ذلك ، يمكن إعادة استخدامه. ستكون تكلفة مثل هذا الصاروخ "كثيف العلم" أعلى من تكلفة التصميم التقليدي ، ولكن "يتم توزيعه" على العديد من عمليات الإطلاق ، بحيث يكون سعر الإطلاق أقل بكثير من المستوى المعتاد.
إعادة استخدام الوسائط هو الهدف الرئيسي للمطورين اليوم. كان مكوك الفضاء وأنظمة Energia-Buran قابلين لإعادة الاستخدام جزئيًا. يتم اختبار الاستخدام المتكرر للمرحلة الأولى لصواريخ SpaceX Falcon 9. وقد قامت SpaceX بالفعل بالعديد من عمليات الإنزال الناجحة ، وفي نهاية شهر مارس سيحاولون إطلاق إحدى المراحل التي طارت إلى الفضاء مرة أخرى. "في رأينا ، هذا النهج لا يمكن إلا أن يشوه فكرة إنشاء وسائط حقيقية قابلة لإعادة الاستخدام ،" يلاحظ مكتب تصميم Makeev. "لا يزال يتعين عليك فرز مثل هذا الصاروخ بعد كل رحلة ، وتركيب وصلات ومكونات جديدة يمكن التخلص منها … ونعود إلى حيث بدأنا."
لا تزال الوسائط القابلة لإعادة الاستخدام بالكامل في شكل مشاريع فقط - باستثناء New Shepard التابعة للشركة الأمريكية Blue Origin.حتى الآن ، تم تصميم الصاروخ الذي يحتوي على كبسولة مأهولة فقط للرحلات الجوية شبه المدارية لسائحي الفضاء ، ولكن معظم الحلول الموجودة في هذه الحالة يمكن تحجيمها بسهولة من أجل حامل مداري أكثر خطورة. لا يخفي ممثلو الشركة خططهم لإنشاء مثل هذا الخيار ، حيث يتم بالفعل تطوير محركات قوية BE-3 و BE-4. أكد بلو أوريجين: "مع كل رحلة شبه مدارية ، نقترب من المدار". لكن الناقل الواعد New Glenn لن يكون قابلاً لإعادة الاستخدام بالكامل: يجب إعادة استخدام الكتلة الأولى فقط ، التي تم إنشاؤها على أساس تصميم New Shepard الذي تم اختباره بالفعل.
مقاومة المواد
تم استخدام مواد CFRP اللازمة للصواريخ أحادية المرحلة والقابلة لإعادة الاستخدام بالكامل في تكنولوجيا الطيران منذ التسعينيات. في تلك السنوات نفسها ، بدأ المهندسون في McDonnell Douglas بسرعة في تنفيذ مشروع Delta Clipper (DC-X) ، واليوم يمكنهم التباهي بحامل ألياف الكربون الجاهزة والطيران. لسوء الحظ ، وتحت ضغط شركة Lockheed Martin ، توقف العمل على DC-X ، وتم نقل التقنيات إلى وكالة ناسا ، حيث حاولوا استخدامها في مشروع VentureStar غير الناجح ، وبعد ذلك ذهب العديد من المهندسين المشاركين في هذا الموضوع للعمل في Blue Origin ، واستحوذت شركة Boeing على الشركة نفسها.
في نفس التسعينيات ، أصبح SRC Makeev الروسي مهتمًا بهذه المهمة. منذ ذلك الحين ، شهد مشروع KORONA ("صاروخ فضائي ، حامل بمرحلة واحدة للمركبات الفضائية") تطورًا ملحوظًا ، وتظهر الإصدارات الوسيطة كيف أصبح التصميم والتخطيط أكثر بساطة واتقانًا. تدريجيًا ، تخلى المطورون عن العناصر المعقدة - مثل الأجنحة أو خزانات الوقود الخارجية - وتوصلوا إلى فهم أن مادة الجسم الرئيسية يجب أن تكون من ألياف الكربون. جنبا إلى جنب مع المظهر ، تغير كل من الوزن والقدرة الاستيعابية. يقول أحد المطورين: "باستخدام أفضل المواد الحديثة ، من المستحيل بناء صاروخ أحادي المرحلة يزن أقل من 60-70 طنًا ، في حين أن حمولته ستكون صغيرة جدًا". - ولكن مع نمو كتلة البداية ، فإن الهيكل (حتى حد معين) يكون له نصيب أصغر ، ويصبح استخدامه مربحًا أكثر فأكثر. بالنسبة للصاروخ المداري ، يكون هذا الحد الأقصى حوالي 160-170 طنًا ، بدءًا من هذا المقياس يمكن أن يكون استخدامه مبررًا بالفعل ".
في الإصدار الأخير من مشروع KORONA ، تكون كتلة الإطلاق أعلى وتصل إلى 300 طن ، ويتطلب مثل هذا الصاروخ الكبير أحادي المرحلة استخدام محرك نفاث يعمل بالوقود السائل عالي الكفاءة يعمل على الهيدروجين والأكسجين. على عكس المحركات في مراحل منفصلة ، يجب أن يكون محرك الصاروخ الذي يعمل بالوقود السائل قادرًا على العمل في ظروف مختلفة جدًا وعلى ارتفاعات مختلفة ، بما في ذلك الإقلاع والطيران خارج الغلاف الجوي. يشرح مصممو Makeevka: "المحرك التقليدي الذي يعمل بالوقود السائل مع فوهات Laval يكون فعالًا فقط في نطاقات ارتفاع معينة ، لذلك توصلنا إلى الحاجة إلى استخدام محرك صاروخ إسفين الهواء." تعمل الغازات النفاثة في مثل هذه المحركات على ضبط نفسها مع الضغط "فوق سطح البحر" ، وتحافظ على الكفاءة على السطح وعلى مستوى عالٍ في الستراتوسفير.
حتى الآن ، لا يوجد محرك عامل من هذا النوع في العالم ، على الرغم من أنه تم التعامل معه ويتم التعامل معه في كل من بلدنا والولايات المتحدة الأمريكية. في الستينيات ، اختبر مهندسو Rocketdyne هذه المحركات على حامل ، لكنهم لم يأتوا للتركيب على الصواريخ. يجب أن يكون CROWN مزودًا بنسخة معيارية ، حيث تكون فوهة الهواء الإسفيني هي العنصر الوحيد الذي لا يحتوي حتى الآن على نموذج أولي ولم يتم اختباره. هناك أيضًا جميع التقنيات الخاصة بإنتاج الأجزاء المركبة في روسيا - تم تطويرها واستخدامها بنجاح ، على سبيل المثال ، في معهد عموم روسيا لمواد الطيران (VIAM) وفي OJSC “Kompozit”.
تناسب عمودي
عند الطيران في الغلاف الجوي ، سيتم تغطية الهيكل البلاستيكي المقوى بألياف الكربون في CORONA ببلاطات واقية من الحرارة طورتها VIAM لبوران ومنذ ذلك الحين تم تحسينها بشكل ملحوظ."الحمل الحراري الرئيسي على صاروخنا يتركز على" أنفه "، حيث يتم استخدام عناصر حماية حرارية عالية الحرارة ، - أوضح المصممون. - في هذه الحالة ، يكون للجوانب المتوسعة للصاروخ قطر أكبر وتكون بزاوية حادة لتدفق الهواء. الحمل الحراري عليها أقل ، مما يسمح باستخدام مواد أخف. نتيجة لذلك ، وفرنا أكثر من 1.5 طن.لا تتعدى كتلة الجزء ذو درجة الحرارة العالية 6٪ من الكتلة الكلية للحماية الحرارية. وعلى سبيل المقارنة ، فإنها تمثل أكثر من 20٪ من مركبات النقل المكوكية ".
إن التصميم المستدق الأنيق للوسائط هو نتيجة لعدد لا يحصى من التجارب والخطأ. وفقًا للمطورين ، إذا كنت تأخذ فقط الخصائص الرئيسية لحامل المرحلة الواحدة القابل لإعادة الاستخدام ، فسيتعين عليك التفكير في حوالي 16000 مجموعة منها. تم تقدير المئات منهم من قبل المصممين أثناء العمل في المشروع. "قررنا التخلي عن الأجنحة ، كما هو الحال في بوران أو مكوك الفضاء" ، كما يقولون. - بشكل عام ، في الغلاف الجوي العلوي ، تتداخل فقط مع المركبات الفضائية. تدخل مثل هذه السفن الغلاف الجوي بسرعة تفوق سرعة الصوت أفضل من "الحديد" ، وفقط بسرعة تفوق سرعة الصوت تتحول إلى الطيران الأفقي ويمكنها الاعتماد بشكل صحيح على الديناميكا الهوائية للأجنحة ".
لا يسمح الشكل المخروطي المتماثل للمحور بتوفير حماية حرارية أسهل فحسب ، بل يتميز أيضًا بديناميكا هوائية جيدة عند القيادة بسرعات عالية جدًا. بالفعل في الطبقات العليا من الغلاف الجوي ، يتلقى الصاروخ رافعة ، لا تسمح له بالفرملة هنا فحسب ، بل أيضًا بالمناورة. وهذا بدوره يجعل من الممكن إجراء المناورات اللازمة على ارتفاعات عالية ، والتوجه إلى موقع الهبوط ، وفي الرحلة المستقبلية ، يبقى فقط إكمال الكبح ، وتصحيح المسار والانعطاف إلى الخلف ، باستخدام محركات مناورة ضعيفة.
تذكر كل من Falcon 9 و New Shepard: لا يوجد شيء مستحيل أو حتى غير عادي في الهبوط العمودي اليوم. في الوقت نفسه ، فإنه يجعل من الممكن الحصول على قوة أقل بكثير أثناء بناء وتشغيل المدرج - كان يجب أن يبلغ طول المدرج الذي هبطت عليه نفس المكوكات وبوران عدة كيلومترات من أجل فرملة السيارة عند بسرعة مئات الكيلومترات في الساعة. يضيف أحد مؤلفي المشروع: "يمكن لصاروخ CROWN ، من حيث المبدأ ، الإقلاع من منصة بحرية والهبوط عليها" ، "ستكون دقة الهبوط النهائية حوالي 10 أمتار ، ويتم إنزال الصاروخ على ماصات صدمات تعمل بالهواء المضغوط قابلة للسحب. " كل ما تبقى هو إجراء التشخيص وإعادة التزود بالوقود ووضع حمولة جديدة - ويمكنك الذهاب بالطائرة مرة أخرى.
لا يزال تطبيق KORONA قيد التنفيذ في غياب التمويل ، لذلك تمكن مطورو مكتب تصميم Makeev من الوصول فقط إلى المراحل النهائية من تصميم المسودة. لقد اجتزنا هذه المرحلة بشكل شبه كامل ومستقل دون دعم خارجي. لقد فعلنا بالفعل كل ما يمكن القيام به - يقول المصممون. - نحن نعلم ماذا وأين ومتى يجب إنتاجه. الآن نحن بحاجة إلى الانتقال إلى التصميم العملي وإنتاج وتطوير الوحدات الرئيسية ، وهذا يتطلب المال ، لذا الآن كل شيء يعتمد عليها."
بداية متأخرة
يتوقع صاروخ CFRP إطلاقًا واسع النطاق فقط ؛ عند تلقي الدعم اللازم ، يكون المصممون جاهزين لبدء اختبارات الطيران في غضون ست سنوات ، وفي سبع إلى ثماني سنوات - لبدء التشغيل التجريبي للصواريخ الأولى. ويقدرون أن هذا يتطلب أقل من 2 مليار دولار - ليس كثيرًا وفقًا لمعايير الصواريخ. في الوقت نفسه ، يمكن توقع عائد على الاستثمار بعد سبع سنوات من استخدام الصاروخ ، إذا ظل عدد عمليات الإطلاق التجارية عند المستوى الحالي ، أو حتى خلال 1.5 عام - إذا نما بالمعدلات المتوقعة.
علاوة على ذلك ، فإن وجود محركات المناورة ومرافق الالتقاء والالتحام على الصاروخ يجعل من الممكن أيضًا الاعتماد على مخططات الإطلاق المتعددة المعقدة. مع وجود وقود مستهلك ليس للهبوط ، ولكن لإنهاء الحمولة ، فمن الممكن أن يصل وزنه إلى أكثر من 11 طنًا.ثم ترسو CROWN بالناقلة الثانية ، والتي سوف تملأ خزاناتها بالوقود الإضافي اللازم للعودة. ولكن لا يزال ، الأهم من ذلك بكثير هو إعادة الاستخدام ، والذي سيريحنا للمرة الأولى من الحاجة إلى جمع الوسائط قبل كل إطلاق - ونفقدها بعد كل إطلاق. فقط مثل هذا النهج يمكن أن يضمن إنشاء تدفق ثابت لحركة المرور في اتجاهين بين الأرض والمدار ، وفي نفس الوقت بداية استغلال حقيقي ونشط وواسع النطاق للفضاء القريب من الأرض.
في غضون ذلك ، لا يزال CROWN في طي النسيان ، ويستمر العمل على New Shepard. كما يتم تطوير مشروع ياباني مماثل RVT. قد لا يتمتع المطورون الروس ببساطة بالدعم الكافي لتحقيق اختراق. إذا كان لديك بضعة مليارات من المليارات لتجنيبها ، فهذا استثمار أفضل بكثير من أكبر وأفخم يخت في العالم.
