Acredita-se que as tecnologias sempre se desenvolvem gradativamente, das simples às complexas, da faca de pedra ao aço - e só então a uma fresadora programada. No entanto, o destino dos foguetes espaciais acabou sendo menos direto. A criação de mísseis de estágio único simples e confiáveis por muito tempo permaneceu inacessível aos projetistas. Foram necessárias soluções que nem os cientistas de materiais nem os engenheiros de motores poderiam oferecer. Até agora, os veículos de lançamento permanecem multiestágios e descartáveis: um sistema incrivelmente complexo e caro é usado por alguns minutos, após o qual é descartado
“Imagine que antes de cada vôo você montaria um novo avião: você conectaria a fuselagem às asas, colocaria cabos elétricos, instalaria os motores e depois de pousar você o enviaria para um aterro sanitário … Você não voará para longe como isso”, disseram-nos os desenvolvedores do State Missile Center. Makeeva. “Mas isso é exatamente o que fazemos toda vez que colocamos carga em órbita. Claro, idealmente todos gostariam de ter uma "máquina" confiável de um estágio que não exija montagem, mas chegue ao cosmódromo, reabastecida e lançada. E então ele volta e começa de novo - e de novo "…
No meio do caminho
Em geral, os foguetes tentaram passar por um estágio desde os primeiros projetos. Nos esboços iniciais de Tsiolkovsky, apenas essas estruturas aparecem. Ele abandonou essa ideia apenas mais tarde, percebendo que as tecnologias do início do século XX não permitiam realizar esta solução simples e elegante. O interesse por porta-aviões de estágio único surgiu novamente na década de 1960, e esses projetos estavam sendo desenvolvidos em ambos os lados do oceano. Na década de 1970, os Estados Unidos estavam trabalhando em foguetes de estágio único SASSTO, Phoenix e várias soluções baseadas no S-IVB, o terceiro estágio do veículo de lançamento Saturno V, que levou astronautas à lua.
“Essa opção não seria diferente na capacidade de carga, os motores não eram bons o suficiente para isso - mas ainda assim seria um estágio, bastante capaz de voar em órbita”, continuam os engenheiros. "Claro, economicamente seria completamente injustificado." Compósitos e tecnologias para trabalhar com eles surgiram apenas nas últimas décadas, o que permite tornar o portador de um estágio e, além disso, reutilizável. O custo de um foguete "intensivo em ciência" será maior do que o de um projeto tradicional, mas será "distribuído" por muitos lançamentos, de modo que o preço de lançamento será muito mais baixo do que o nível normal.
A reutilização de mídia é o principal objetivo dos desenvolvedores hoje. Os sistemas do Ônibus Espacial e Energia-Buran foram parcialmente reutilizáveis. O uso repetido do primeiro estágio está sendo testado para foguetes SpaceX Falcon 9. A SpaceX já fez vários pousos com sucesso e no final de março eles tentarão lançar um dos estágios que voou para o espaço novamente. “Em nossa opinião, essa abordagem só pode desacreditar a ideia de criar uma mídia real reutilizável”, observa o Makeev Design Bureau. "Você ainda tem que resolver o tipo de foguete após cada vôo, instalar conexões e novos componentes descartáveis … e estamos de volta ao ponto de partida."
Mídias totalmente reutilizáveis ainda estão apenas na forma de projetos - com exceção do New Shepard da empresa americana Blue Origin. Até agora, o foguete com uma cápsula tripulada é projetado apenas para voos suborbitais de turistas espaciais, mas a maioria das soluções encontradas neste caso podem ser facilmente dimensionadas para um portador orbital mais sério. Representantes da empresa não escondem seus planos de criar tal opção, para a qual os potentes motores BE-3 e BE-4 já estão sendo desenvolvidos. "A cada vôo suborbital, estamos nos aproximando da órbita", garantiu a Blue Origin. Mas a sua promissora transportadora New Glenn também não será totalmente reutilizável: apenas o primeiro bloco, criado com base no projeto New Shepard já testado, deve ser reutilizado.
Resistência do material
Os materiais CFRP necessários para foguetes totalmente reutilizáveis e de estágio único têm sido usados na tecnologia aeroespacial desde a década de 1990. Naqueles mesmos anos, os engenheiros da McDonnell Douglas começaram rapidamente a implementar o projeto Delta Clipper (DC-X), e hoje eles podem se gabar de uma transportadora de fibra de carbono pronta e voadora. Infelizmente, sob pressão da Lockheed Martin, o trabalho no DC-X foi interrompido, as tecnologias foram transferidas para a NASA, onde tentaram usá-las para o projeto VentureStar malsucedido, após o qual muitos engenheiros envolvidos neste tópico foram trabalhar na Blue Origin, e a própria empresa foi adquirida pela Boeing.
Na mesma década de 1990, o russo SRC Makeev se interessou por essa tarefa. Desde então, o projeto KORONA ("Foguete espacial, portador de um único estágio de veículos [espaciais]") sofreu uma evolução notável, e as versões intermediárias mostram como o design e o layout se tornaram cada vez mais simples e perfeitos. Gradualmente, os desenvolvedores abandonaram elementos complexos - como asas ou tanques de combustível externos - e chegaram ao entendimento de que o material do corpo principal deveria ser fibra de carbono. Junto com a aparência, tanto o peso quanto a capacidade de carga mudaram. “Usando até mesmo os melhores materiais modernos, é impossível construir um foguete de estágio único pesando menos de 60-70 toneladas, enquanto sua carga útil será muito pequena”, disse um dos desenvolvedores. - Mas à medida que a massa inicial cresce, a estrutura (até certo limite) tem uma participação cada vez menor e torna-se cada vez mais lucrativo utilizá-la. Para um foguete orbital, esse ótimo é de cerca de 160-170 toneladas, a partir dessa escala seu uso já pode ser justificado”.
Na última versão do projeto KORONA, a massa de lançamento é ainda maior e se aproxima de 300 toneladas. Um grande foguete de estágio único requer o uso de um motor a jato de propelente líquido altamente eficiente operando com hidrogênio e oxigênio. Ao contrário dos motores em estágios separados, esse motor de foguete de propelente líquido deve ser capaz de operar em condições muito diferentes e em altitudes diferentes, incluindo decolagem e vôo fora da atmosfera. “Um motor de propelente líquido convencional com bicos Laval é eficaz apenas em certas faixas de altitude”, explicam os projetistas da Makeevka, “portanto, chegamos à necessidade de usar um motor de foguete de cunha.” O jato de gás nesses motores se ajusta à pressão “ao mar” e mantém a eficiência tanto na superfície quanto na estratosfera.
Até o momento, não há nenhum motor desse tipo funcionando no mundo, embora eles tenham sido e estejam sendo tratados tanto em nosso país como nos EUA. Na década de 1960, os engenheiros da Rocketdyne testaram esses motores em um suporte, mas eles não chegaram a ser instalados em mísseis. O CROWN deve ser equipado com uma versão modular, em que o bico cunha-ar é o único elemento que ainda não possui protótipo e não foi testado. Existem também todas as tecnologias para a produção de peças compostas na Rússia - elas foram desenvolvidas e são usadas com sucesso, por exemplo, no Instituto Russo de Materiais de Aviação (VIAM) e no OJSC “Kompozit”.
Ajuste vertical
Ao voar na atmosfera, a estrutura de plástico reforçado com fibra de carbono do CORONA será revestida com placas de proteção térmica desenvolvidas pela VIAM para os Burans e, desde então, foram visivelmente aprimoradas.“A principal carga de calor em nosso foguete está concentrada em seu“nariz”, onde são usados elementos de proteção térmica de alta temperatura - explicam os projetistas. - Neste caso, os lados de expansão do foguete têm um diâmetro maior e estão em um ângulo agudo com o fluxo de ar. A carga térmica sobre eles é menor, o que permite o uso de materiais mais leves. Como resultado, economizamos mais de 1,5 toneladas A massa da parte de alta temperatura não ultrapassa 6% da massa total da proteção térmica. Para efeito de comparação, é responsável por mais de 20% dos ônibus espaciais."
O design fino e cônico da mídia é o resultado de inúmeras tentativas e erros. De acordo com os desenvolvedores, se você considerar apenas as características-chave de uma possível transportadora de estágio único reutilizável, terá que considerar cerca de 16.000 combinações delas. Centenas deles foram apreciados pelos designers durante o trabalho no projeto. “Decidimos abandonar as asas, como no Buran ou no ônibus espacial”, dizem eles. - De um modo geral, na alta atmosfera, eles interferem apenas nas espaçonaves. Essas naves entram na atmosfera em velocidade hipersônica não melhor do que um "ferro", e apenas em velocidade supersônica eles mudam para o vôo horizontal e podem contar apropriadamente com a aerodinâmica das asas."
O formato do cone com simetria axial não só permite uma proteção térmica mais fácil, mas também tem uma boa aerodinâmica ao dirigir em velocidades muito altas. Já nas camadas superiores da atmosfera, o foguete recebe uma sustentação, que lhe permite não só frear aqui, mas também manobrar. Isto, por sua vez, permite fazer as manobras necessárias em grande altitude, rumo ao local de pouso, e no vôo futuro, resta apenas completar a frenagem, corrigir o rumo e virar à ré, utilizando fracos motores de manobra.
Lembre-se do Falcon 9 e do New Shepard: não há nada impossível ou mesmo incomum na aterrissagem vertical hoje. Ao mesmo tempo, torna possível sobreviver com significativamente menos forças durante a construção e operação da pista - a pista em que os mesmos Shuttles e Buran pousaram tinha que ter vários quilômetros de extensão para frear o veículo em uma velocidade de centenas de quilômetros por hora. “A COROA, em princípio, pode até decolar de uma plataforma offshore e pousar nela”, acrescenta um dos autores do projeto, “a precisão final de pouso será de cerca de 10 m, o foguete é baixado sobre amortecedores pneumáticos retráteis.” Resta fazer diagnósticos, reabastecer, colocar uma nova carga - e você pode voar novamente.
KORONA ainda está sendo implementado na ausência de financiamento, então os desenvolvedores do Makeev Design Bureau conseguiram chegar apenas aos estágios finais do projeto. “Passamos esta fase quase total e completamente de forma independente, sem suporte externo. Já fizemos tudo o que podia ser feito - dizem os designers. - Sabemos o que, onde e quando deve ser produzido. Agora precisamos passar para o design prático, produção e desenvolvimento de unidades-chave, e isso requer dinheiro, então agora tudo depende deles."
Início atrasado
O foguete CFRP espera apenas um lançamento em larga escala; ao receber o apoio necessário, os projetistas estão prontos para começar os testes de vôo em seis anos, e em sete a oito anos - para iniciar a operação experimental dos primeiros mísseis. Eles estimam que isso requer menos de US $ 2 bilhões - não muito para os padrões de foguetes. Ao mesmo tempo, pode-se esperar um retorno do investimento após sete anos de uso do foguete, se o número de lançamentos comerciais permanecer no nível atual, ou mesmo em 1,5 ano - se crescer nas taxas previstas.
Além disso, a presença de motores de manobra, pontos de encontro e atracação no foguete também permite contar com complexos esquemas de lançamento de múltiplos lançamentos. Tendo combustível gasto não para pousar, mas para terminar a carga, é possível trazê-la a uma massa de mais de 11 toneladas. Em seguida, a COROA atracará com o segundo, "petroleiro", que encherá seus tanques com o combustível adicional necessário para o retorno. Ainda assim, muito mais importante é a reutilização, que pela primeira vez nos livrará da necessidade de coletar a mídia antes de cada lançamento - e perdê-la após cada lançamento. Somente tal abordagem pode garantir a criação de um fluxo de tráfego bidirecional estável entre a Terra e a órbita e, ao mesmo tempo, o início de uma exploração real, ativa e em grande escala do espaço próximo à Terra.
Enquanto isso, a COROA permanece no limbo, o trabalho em New Shepard continua. Um projeto japonês semelhante ao RVT também está em desenvolvimento. Os desenvolvedores russos podem simplesmente não ter suporte suficiente para um avanço. Se você tem alguns bilhões de sobra, este é um investimento muito melhor do que até mesmo o maior e mais luxuoso iate do mundo.
