Hoje, muitos de nós conhecem, ou pelo menos já ouviram falar, da família de veículos lançadores parcialmente reutilizáveis da empresa privada SpaceX. Graças ao sucesso da empresa, bem como à personalidade do fundador, Elon Musk, que muitas vezes se torna o herói dos feeds de notícias, foguetes Falcon 9, SpaceX e voos espaciais em geral não saem das páginas da imprensa internacional. Ao mesmo tempo, a Rússia teve e tem seus próprios desenvolvimentos e não menos interessantes projetos de mísseis reutilizáveis, sobre os quais se sabe muito menos. A resposta à pergunta por que isso está acontecendo é óbvia. Os foguetes de Ilona Mask voam regularmente para o espaço, e os foguetes russos reutilizáveis e parcialmente reutilizáveis são até agora apenas projetos, desenhos e belas fotos em apresentações.
Space é lançado hoje
Hoje, podemos dizer com segurança que a Roskosmos em algum momento perdeu o tema dos mísseis reutilizáveis, tendo em suas mãos desenvolvimentos e projetos que estavam à frente de outros países por vários anos. Todos os projetos de mísseis reutilizáveis russos nunca foram concluídos, nem implementados em metal. Por exemplo, o veículo de lançamento Korona reutilizável de estágio único, desenvolvido de 1992 a 2012, nunca foi levado à sua conclusão lógica. Já estamos vendo o resultado desse erro de cálculo no desenvolvimento. A Rússia perdeu seriamente suas posições no mercado de lançamentos espaciais comerciais com o advento do foguete americano Falcon 9 e suas variantes, e também é seriamente inferior em termos de número de lançamentos espaciais feitos por ano. No final de 2018, a Roscosmos relatou 20 lançamentos espaciais (um deles malsucedido), enquanto em abril de 2018, em entrevista à TASS, o chefe da Roscosmos, Igor Komarov, disse que está prevista a realização de 30 lançamentos espaciais pelo final do ano. A liderança no final do ano passado foi a China, que realizou 39 lançamentos espaciais (um sem sucesso), em segundo lugar ficaram os Estados Unidos com 31 lançamentos espaciais (nenhum sem sucesso).
Falando em voos espaciais modernos, é necessário entender que no custo total de lançamento de um veículo lançador (VE) moderno, o principal item de despesa é o próprio foguete. Seu corpo, tanques de combustível, motores - tudo isso voa para sempre, arde nas camadas densas da atmosfera, é claro que tais gastos irrecuperáveis transformam qualquer lançamento de um veículo lançador em um prazer caríssimo. Nem a manutenção dos espaçoportos, nem o combustível, nem o trabalho de montagem antes do lançamento, mas o preço do veículo lançador em si, é o principal item das despesas. Um produto tecnológico muito complexo do pensamento da engenharia é usado por alguns minutos, após os quais é completamente destruído. Naturalmente, isso é verdade para foguetes descartáveis. A ideia de utilizar veículos lançadores recuperáveis se apresenta aqui por si só, como uma chance real de reduzir o custo de cada lançamento espacial. Nesse caso, mesmo a devolução apenas da primeira fase torna o custo de cada lançamento menor.
Pouso do primeiro estágio retornável do veículo de lançamento Falcon 9
É um esquema semelhante que foi implementado pelo bilionário americano Elon Musk, tornando o primeiro estágio recuperável do pesado veículo de lançamento Falcon 9. Enquanto o primeiro estágio desses mísseis é parcialmente recuperável, algumas tentativas de pouso terminam em fracasso, mas o número de pousos fracassados caíram para quase zero em 2017 e 2018. Por exemplo, no ano passado houve apenas uma falha para cada 10 pousos bem-sucedidos no primeiro estágio. Ao mesmo tempo, a SpaceX também abriu o novo ano com uma aterrissagem bem-sucedida da primeira etapa. Em 11 de janeiro de 2019, o primeiro estágio do foguete Falcon 9 pousou com sucesso em uma plataforma flutuante, além disso, foi reutilizado e, anteriormente, lançou o satélite de comunicações Telestar 18V em órbita em setembro de 2018. Hoje em dia, esses primeiros estágios retornáveis já são um fato consumado. Mas quando os representantes da empresa espacial privada americana falaram apenas sobre seu projeto, muitos especialistas duvidaram da possibilidade de sua implementação bem-sucedida.
Na realidade de hoje, o primeiro estágio de um foguete Falcon 9 de classe pesada em alguns lançamentos pode ser usado em uma versão de reentrada. Levando o segundo estágio do foguete a uma altura suficiente, ele se separa dele a uma altitude de cerca de 70 quilômetros, o desencaixe ocorre aproximadamente 2,5 minutos após o lançamento do veículo lançador (o tempo depende das tarefas específicas de lançamento). Após a separação do LV, o primeiro estágio, utilizando o sistema de controle de atitude instalado, realiza uma pequena manobra, evitando a chama dos motores do segundo estágio de trabalho, e vira os motores para frente em preparação para as três manobras principais de frenagem. Ao pousar, o primeiro estágio usa seus próprios motores para frenagem. É importante notar que o estágio retornado impõe suas próprias restrições ao lançamento. Por exemplo, a carga útil máxima de um foguete Falcon 9 é reduzida em 30-40 por cento. Isso se deve à necessidade de reserva de combustível para frenagem e posterior pouso, bem como ao peso adicional do equipamento de pouso instalado (lemes treliçados, apoios de pouso, elementos do sistema de controle, etc.).
Os sucessos dos americanos e a grande série de lançamentos bem-sucedidos não passaram despercebidos no mundo, o que provocou uma série de declarações sobre o início de projetos de reutilização parcial de foguetes, incluindo o retorno de boosters laterais e a primeira etapa de volta à Terra. Representantes da Roscosmos também falaram sobre esse assunto. A Companhia começou a falar sobre a retomada dos trabalhos de criação de mísseis reutilizáveis na Rússia no início de 2017.
Veículo lançador "Korona" - visão geral
Foguete Korona reutilizável e projetos anteriores
É importante notar que a ideia de mísseis reutilizáveis foi estudada na União Soviética. Após o colapso do país, esse tema não desapareceu, o trabalho nessa direção continuou. Eles começaram muito antes do que Elon Musk acabou de falar sobre isso. Por exemplo, deviam ser devolvidos os blocos da primeira fase do superpesado foguete soviético Energia, necessário por razões econômicas e para a implementação do recurso dos motores RD-170, projetados para pelo menos 10 voos.
Menos conhecido é o projeto do veículo de lançamento Rossiyanka, desenvolvido por especialistas do Academician V. P. Makeev State Rocket Center. Esta empresa é conhecida principalmente por seus desenvolvimentos militares. Por exemplo, foi aqui que a maioria dos mísseis balísticos domésticos destinados a armar submarinos foi criada, incluindo os mísseis balísticos R-29RMU Sineva atualmente em serviço com a frota de submarinos russos.
De acordo com o projeto, o Rossiyanka era um lançador de dois estágios, sendo o primeiro reaproveitável. Essencialmente a mesma ideia dos engenheiros da SpaceX, mas alguns anos antes. O foguete deveria lançar 21,5 toneladas de carga em uma órbita de baixa referência - indicadores próximos ao foguete Falcon 9. O retorno do primeiro estágio ocorreria ao longo de uma trajetória balística devido à reinclusão dos motores de estágio padrão. Se necessário, a capacidade de carga do foguete pode ser aumentada para 35 toneladas. Em 12 de dezembro, o Makeyev SRC apresentou seu novo foguete na competição Roscosmos para o desenvolvimento de veículos lançadores reutilizáveis, mas o pedido para a criação de tais dispositivos foi para os concorrentes do Centro Espacial de Pesquisa e Produção do Estado de Khrunichev com o Baikal-Angara projeto. Muito provavelmente, os especialistas do Makeev SRC teriam a competência para implementar seu projeto, mas sem atenção e financiamento suficientes isso seria impossível.
O projeto Baikal-Angara era ainda mais ambicioso, era uma versão em avião do primeiro estágio de retorno à Terra. Foi planejado que após atingir a altura definida do compartimento, uma asa especial seria aberta no primeiro estágio e, em seguida, voaria ao longo de um avião com pouso em um campo de aviação convencional com o trem de pouso estendido. No entanto, esse sistema em si não é apenas muito complexo, mas também caro. Seus méritos indiscutíveis incluíam o fato de que ela poderia retornar de uma distância maior. Infelizmente, o projeto nunca foi realizado, às vezes ainda é lembrado, mas nada mais.
Agora o mundo está pensando em veículos de lançamento totalmente reutilizáveis. Elon Musk anunciou o projeto Big Falcon Rocket. Tal foguete deve receber uma arquitetura de dois estágios incomum para a cosmonáutica moderna; seu segundo estágio é um único todo com uma nave espacial, que pode ser de carga ou de passageiro. Está previsto que a primeira etapa do Superheavy retorne à Terra, realizando um pouso vertical no cosmódromo através da utilização de seus motores, tecnologia esta já perfeitamente desenvolvida pelos engenheiros da SpaceX. O segundo estágio do foguete, junto com uma espaçonave (na verdade, esta é uma espaçonave para diversos fins), que foi chamada de nave estelar, entrará na órbita da Terra. O segundo estágio também terá combustível suficiente para desacelerar nas camadas densas da atmosfera após completar uma missão espacial e pousar em uma plataforma offshore.
Vale a pena notar que a SpaceX também não tem palma para tal ideia. Na Rússia, o projeto de um veículo lançador reutilizável vem sendo desenvolvido desde a década de 1990. E, novamente, eles trabalharam no projeto no State Rocket Center que recebeu o nome do acadêmico V. P. Makeev. O projeto do foguete russo reutilizável tem o lindo nome "Korona". Roscosmos relembrou este projeto em 2017, após o que se seguiram vários comentários sobre a retomada deste projeto. Por exemplo, em janeiro de 2018, a Rossiyskaya Gazeta publicou a notícia de que a Rússia havia retomado o trabalho em um foguete espacial reutilizável. Era sobre o veículo de lançamento Korona.
Ao contrário do foguete americano Falcon-9, o russo Korona não tem estágios destacáveis; na verdade, é uma única nave espacial de decolagem e aterrissagem suave. De acordo com Vladimir Degtyar, Designer Geral do SRC Makeyev, este projeto deve abrir o caminho para a implementação de voos tripulados interplanetários de longa distância. Está previsto que o principal material estrutural do novo foguete russo será a fibra de carbono. Ao mesmo tempo, o "Korona" é projetado para lançar espaçonaves em órbitas baixas da Terra com uma altitude de 200 a 500 quilômetros. A massa do veículo de lançamento é de cerca de 300 toneladas. A massa da carga útil de saída é de 7 a 12 toneladas. A decolagem e o pouso do "Korona" deverão ocorrer em instalações de lançamento simplificadas, além disso, está em estudo a opção de lançamento de foguete reutilizável de plataformas offshore. O novo veículo lançador poderá utilizar a mesma plataforma para decolagem e pouso. O tempo de preparação do foguete para o próximo lançamento é de apenas cerca de um dia.
Deve-se notar que os materiais de fibra de carbono necessários para criar foguetes de estágio único e reutilizáveis têm sido usados na tecnologia aeroespacial desde os anos 90 do século passado. Desde o início dos anos 1990, o projeto Korona percorreu um longo caminho de desenvolvimento e evoluiu significativamente, nem é preciso dizer que inicialmente se tratava de um foguete de uso único. Ao mesmo tempo, no processo de evolução, o design do futuro foguete tornou-se mais simples e perfeito. Gradualmente, os desenvolvedores do foguete abandonaram o uso de asas e tanques externos de combustível, tendo chegado ao entendimento de que o principal material do corpo reutilizável do foguete seria a fibra de carbono.
Na versão mais recente do foguete Korona reutilizável até agora, sua massa está se aproximando de 280-290 toneladas. Esse grande veículo de lançamento de estágio único requer um motor de foguete de propelente líquido altamente eficiente que funciona com hidrogênio e oxigênio. Ao contrário dos motores de foguete, que são colocados em estágios separados, esse motor de foguete de propelente líquido deve funcionar efetivamente em várias condições e em diferentes altitudes, incluindo decolagem e vôo fora da atmosfera da Terra. "Um motor de foguete de propelente líquido comum com bicos Laval é eficaz apenas em certas faixas de altitude", dizem os projetistas da Makeevka. O jato de gás em tais motores de foguete se ajusta à pressão “no mar”, além disso, eles mantêm sua eficiência tanto na superfície da Terra quanto bastante elevada na estratosfera.
RN "Korona" em voo orbital com compartimento de carga útil fechado, render
No entanto, até agora no mundo simplesmente não existe um motor de trabalho desse tipo, embora tenham sido ativamente desenvolvidos na URSS e nos EUA. Os especialistas acreditam que o lançador reutilizável Korona deve ser equipado com uma versão modular do motor, em que o bico de cunha é o único elemento que atualmente não possui protótipo e não foi testado na prática. Ao mesmo tempo, a Rússia tem seus próprios tecnólogos na produção de materiais compostos modernos e peças a partir deles. Seu desenvolvimento e aplicação são engajados com bastante sucesso, por exemplo, no JSC "Composite" e no All-Russian Institute of Aviation Materials (VIAM).
Para um vôo seguro na atmosfera da Terra, a estrutura de fibra de carbono do Korona será protegida por uma placa de proteção térmica, que foi desenvolvida anteriormente no VIAM para a espaçonave Buran e, desde então, passou por um caminho de desenvolvimento significativo. “A principal carga de calor no Korona estará concentrada em sua proa, onde elementos de proteção térmica de alta temperatura são usados”, observam os designers. “Ao mesmo tempo, os lados alargados do veículo lançador têm um diâmetro maior e estão localizados em um ângulo agudo em relação ao fluxo de ar. A carga térmica sobre esses elementos é menor, o que, por sua vez, nos permite utilizar materiais mais leves. Como resultado, uma economia de cerca de 1,5 toneladas de peso é alcançada. A massa da parte de alta temperatura do foguete não excede 6 por cento da massa total da proteção térmica do Korona. Para efeito de comparação, o ônibus espacial foi responsável por mais de 20 por cento."
O formato fino e cônico do foguete reutilizável é o resultado de muitas tentativas e erros. De acordo com os desenvolvedores, enquanto trabalhavam no projeto, eles revisaram e avaliaram centenas de opções diferentes. “Decidimos abandonar completamente as asas, como as do Ônibus Espacial ou da espaçonave Buran”, dizem os desenvolvedores. - De modo geral, quando nas camadas superiores da atmosfera, as asas só interferem na nave. Essas naves espaciais entram na atmosfera em velocidade hipersônica não melhor do que um "ferro", e apenas em velocidade supersônica elas passam para o vôo horizontal, após o qual podem contar totalmente com a aerodinâmica das asas."
A forma axissimétrica cônica do foguete permite não só facilitar a proteção contra o calor, mas também conferir-lhe boas qualidades aerodinâmicas ao se mover em altas velocidades de vôo. Já nas camadas superiores da atmosfera, o "Korona" recebe uma força de levantamento, que permite ao foguete não só desacelerar, mas também fazer manobras. Isso permite que o veículo lançador manobre em alta altitude ao voar para o local de pouso; no futuro, ele só precisará concluir o processo de frenagem, corrigir seu curso, virar para trás usando pequenos motores de manobra e pousar no solo.
O problema do projeto é que Korona ainda está sendo desenvolvido em condições de financiamento insuficiente ou na sua total ausência. Atualmente, o Makeyev SRC concluiu apenas um projeto de design sobre este tópico. De acordo com os dados divulgados durante as XLII Leituras Acadêmicas de Cosmonáutica de 2018, foram realizados estudos de viabilidade do projeto de criação do veículo lançador Korona e elaborado um cronograma efetivo de desenvolvimento do foguete. Foram investigadas as condições necessárias para a criação de um novo veículo lançador e analisadas as perspectivas e resultados tanto do processo de desenvolvimento quanto da operação futura do novo foguete.
Após a explosão de notícias sobre o projeto Crown em 2017 e 2018, o silêncio se segue … As perspectivas do projeto e sua implementação ainda não são claras. Enquanto isso, a SpaceX apresentará uma amostra de teste de seu novo Big Falcon Rocket (BFR) reutilizável no verão de 2019. Pode levar muitos anos desde a criação de uma amostra de teste até um foguete completo, que confirmará sua confiabilidade e desempenho, mas por enquanto podemos afirmar: Elon Musk e sua empresa estão fazendo coisas que podem ser vistas e tocadas pelas mãos. Ao mesmo tempo, Roskosmos, segundo o primeiro-ministro Dmitry Medvedev, deve encerrar sua projeção e conversar sobre para onde voaremos no futuro. Você precisa falar menos e fazer mais.
