Espaço russo: o projeto Korona e outros desenvolvimentos de Makeeva

"Imagine que antes de cada voo você montaria um novo avião: conecte a fuselagem com as asas, coloque cabos elétricos, instale os motores e, após o pouso, você a enviaria para o aterro ... Você não voará até agora", disseram os desenvolvedores do State Rocket Center. Makeeva. "Mas é exatamente isso que fazemos sempre, enviando mercadorias em órbita". Obviamente, idealmente, todos gostariam de ter um "carro" confiável de um estágio que não exija montagem, mas chegue ao espaçoporto, reabasteça e inicie. E então ele volta e começa de novo - e de novo ”...

No meio do caminho

De um modo geral, o foguete tentou se dar um passo dos primeiros projetos. Nos esboços iniciais de Tsiolkovsky, exatamente essas construções aparecem. Ele abandonou essa idéia apenas mais tarde, percebendo que a tecnologia do início do século XX não permite realizar essa solução simples e elegante. Mais uma vez, o interesse por transportadoras de estágio único surgiu na década de 1960, e esses projetos foram desenvolvidos nos dois lados do oceano. Na década de 1970, os Estados Unidos estavam trabalhando nos foguetes SASSTO, Phoenix de estágio único e em várias soluções baseadas no S-IVB, o terceiro estágio do Saturn V LV, que entregava astronautas à Lua.

A CORONA deve se tornar robótica e obter software inteligente para o sistema de controle. O software pode ser atualizado imediatamente e, em caso de emergência, ele "reverte" automaticamente para a versão estável do backup.

"Essa opção não diferiria na capacidade de carga, os motores para isso não seriam bons o suficiente - mas ainda assim seria um passo, capaz de voar em órbita", continuam os engenheiros. "É claro que seria completamente injustificado economicamente". Somente nas últimas décadas surgiram compostos e tecnologias para trabalhar com eles, que tornam possível uma transportadora de estágio único e, além disso, reutilizável. O custo de um foguete de "alta tecnologia" será maior que o de um design tradicional, mas será "espalhado" por muitos lançamentos, portanto o preço de lançamento será muito menor do que o nível usual.

A reutilização das operadoras é o principal objetivo dos desenvolvedores hoje. Parcialmente reutilizáveis ​​foram os sistemas de Ônibus Espacial e Energia-Buran. O uso múltiplo do primeiro estágio está sendo elaborado para os foguetes SpaceX Falcon 9. O SpaceX já fez vários pousos de sucesso e, no final de março, eles tentarão lançar um dos estágios voando no espaço novamente. "Na nossa opinião, essa abordagem só pode desacreditar a idéia de criar um meio reutilizável real", diz Makeeva na KB. "Esse foguete ainda precisa ser resolvido após cada voo, para montar comunicações e novos componentes descartáveis ​​... e retornaremos ao ponto em que começamos novamente".

Até agora, a mídia totalmente reutilizável permanece apenas na forma de projetos - com exceção da New Shepard, da empresa americana Blue Origin. Até agora, um foguete com uma cápsula tripulada foi projetado apenas para vôos suborbitais de turistas espaciais, mas a maioria das soluções encontradas com isso pode ser dimensionada para um transportador orbital mais sério. Os representantes da empresa não ocultam planos para criar uma opção para a qual os poderosos motores BE-3 e BE-4 já estão sendo desenvolvidos. "A cada voo suborbital, nos aproximamos da órbita", assegura a Blue Origin. Mas a promissora transportadora New Glenn também não será totalmente reutilizável: somente o primeiro bloco, criado com base no já testado projeto New Shepard, deve ser reutilizado.

Resistência material

Os materiais de fibra de carbono necessários para foguetes totalmente reutilizáveis ​​e de estágio único são utilizados na tecnologia aeroespacial desde os anos 90. Naqueles mesmos anos, os engenheiros da McDonnell Douglas embarcaram prontamente no projeto Delta Clipper (DC-X) e hoje poderiam muito bem se orgulhar de uma transportadora de fibra de carbono pronta a voar. Infelizmente, sob pressão da Lockheed Martin, o trabalho no DC-X foi descontinuado, a tecnologia foi transferida para a NASA, onde eles tentaram aplicá-lo ao projeto VentureStar malsucedido, após o qual muitos engenheiros envolvidos neste tópico foram trabalhar na Blue Origin e a própria empresa foi adquirida pela Boeing.

Nos mesmos anos 90, eles se interessaram por essa tarefa no centro de Makeyeva, na Rússia. Ao longo dos anos desde então, o projeto KORONA ("Foguete Descartável no Espaço, Veículo Monofásico [Espaço]]") passou por uma evolução notável, e versões intermediárias mostram como o design e o layout se tornaram cada vez mais simples e perfeito. Gradualmente, os desenvolvedores abandonaram elementos complexos - como asas ou tanques de combustível externos - e chegaram ao entendimento de que a fibra de carbono deveria se tornar o principal material do corpo. Juntamente com a aparência, a massa e a capacidade de carga mudaram. "Usando até os melhores materiais modernos, é impossível construir um foguete de estágio único com peso inferior a 60-70 toneladas, enquanto sua carga útil será muito pequena", diz um dos desenvolvedores. - Mas, à medida que a massa inicial cresce, o design (até um certo limite) tem uma participação cada vez menor e torna-se cada vez mais lucrativo usá-lo. Para um foguete orbital, esse ideal é de aproximadamente 160-170 toneladas, a partir dessa escala, seu uso já pode ser justificado. ”

Na versão mais recente do projeto CORONA, a massa inicial é ainda maior e se aproxima de 300 toneladas.Este foguete de estágio único grande exige o uso de um motor de hidrogênio líquido altamente eficiente rodando com hidrogênio e oxigênio. Ao contrário dos motores em estágios separados, esse motor de foguete deve poder trabalhar em condições muito diferentes e em diferentes altitudes, incluindo decolagem e vôo fora da atmosfera. “Um motor líquido convencional com bocais Laval é eficaz apenas em determinadas faixas de altitude”, explicam os designers de Makeevsky, “portanto, surgiu a necessidade de usar um motor de foguete de propulsão líquida montado em cunha”. O fluxo de gás nesses motores se ajusta à pressão "no mar" e mantém a eficiência na superfície e alta na estratosfera.

Contêiner de carga útil

Enquanto no mundo não existe um mecanismo de trabalho desse tipo, embora eles tenham sido e estejam sendo tratados em nosso país e nos EUA. Na década de 1960, os engenheiros da Rocketdyne testaram esses motores em um estande, mas não foram instalados em foguetes. O CORONA deve estar equipado com uma versão modular, na qual o bico em forma de cunha é o único elemento que ainda não possui um protótipo e não foi elaborado. Existem todas as tecnologias na Rússia para a produção de peças compostas - elas foram desenvolvidas e são usadas com sucesso, por exemplo, no Instituto Russo de Materiais de Aviação (VIAM) e no Composite OJSC.

Aterragem vertical

Ao voar na atmosfera, a estrutura de energia de fibra de carbono da CORONA será coberta por placas de proteção térmica desenvolvidas pela VIAM para a Burana e, desde então, melhorou visivelmente. “A principal carga térmica em nosso foguete está concentrada em sua“ meia ”, que utiliza elementos de proteção térmica de alta temperatura”, explicam os projetistas. - Ao mesmo tempo, os lados em expansão do foguete têm um diâmetro maior e estão em um ângulo agudo com o fluxo de ar. A carga de temperatura neles é menor, o que permite o uso de materiais mais leves. Como resultado, economizamos mais de 1, 5 tonelada.A massa da peça de alta temperatura não excede 6% da massa total de proteção térmica. Para comparação, os ônibus espaciais representam mais de 20%. ”

O design elegante e em forma de cone da transportadora é o resultado de inúmeras tentativas e erros. Segundo os desenvolvedores, se você pegar apenas as características principais de uma possível transportadora de estágio único reutilizável, terá que considerar cerca de 16.000 de suas combinações. Centenas deles foram apreciados pelos designers enquanto trabalhavam no projeto. "Decidimos abandonar as asas, como no Buran ou no ônibus espacial", dizem eles. - Em geral, na atmosfera superior eles apenas interferem na sonda. Esses navios entram na atmosfera em hipersom não melhor do que o "ferro", e somente em velocidade supersônica eles mudam para o vôo horizontal e podem se apoiar na aerodinâmica das asas adequadamente. "

A forma cônica axissimétrica não apenas facilita a proteção contra o calor, mas também possui boa aerodinâmica ao dirigir em velocidades muito altas. Já na atmosfera superior, o foguete recebe sustentação, o que permite não apenas desacelerar aqui, mas também manobrar. Isso, por sua vez, possibilita a realização das manobras necessárias em grandes altitudes, rumo ao local de pouso e, no futuro voo, resta apenas completar a frenagem, ajustar o curso e virar à ré, usando motores de manobra fracos.

Lembremos tanto do Falcon 9 quanto do New Shepard: hoje não há nada impossível ou incomum em um pouso vertical. Ao mesmo tempo, torna-se possível sobreviver com forças significativamente menores durante a construção e operação da pista - a faixa na qual os ônibus e Buran deveriam ter um comprimento de vários quilômetros para travar o dispositivo a uma velocidade de centenas de quilômetros por hora. “CORONA, em princípio, pode até decolar de uma plataforma offshore e aterrissar nela”, acrescenta um dos autores do projeto, “nossa precisão final de pouso será de cerca de 10 m, o foguete será abaixado em amortecedores pneumáticos retráteis”. Resta apenas realizar diagnósticos, reabastecer, colocar uma nova carga - e você pode novamente embarcar em um voo.

O CORONA ainda está sendo implementado na ausência de financiamento, então os desenvolvedores do departamento de design da Makeev conseguiram alcançar apenas os estágios finais do design preliminar. “Passamos por esse estágio quase total e completamente de forma independente, sem suporte externo. Já fizemos tudo o que poderia ser feito ”, dizem os designers. - Nós sabemos o que, onde e quando deve ser produzido. Agora precisamos avançar para o design prático, produção e teste dos principais componentes, e isso exige dinheiro, então agora tudo depende deles. ”

Início atrasado

Um foguete de fibra de carbono espera apenas um lançamento em larga escala, com o apoio necessário, os projetistas estão prontos para iniciar os testes de vôo em seis anos e depois das sete às oito para iniciar a operação de teste dos primeiros mísseis. De acordo com suas estimativas, isso requer uma quantia inferior a US $ 2 bilhões - pelos padrões da ciência de foguetes bastante. Ao mesmo tempo, um retorno do investimento pode ser esperado após sete anos de uso do foguete, se o número de lançamentos comerciais permanecer no nível atual ou mesmo após 1, 5 anos - se crescer na taxa prevista.

Além disso, a presença no foguete de motores de manobra, meios de encontro e atracação permite confiar em esquemas complexos de retirada de vários lançamentos. Tendo gastado combustível não no desembarque, mas no aumento da carga útil, é possível elevá-lo a uma massa superior a 11 toneladas e, em seguida, o CORONA atracará com o segundo navio-tanque, que reabastecerá seus tanques com combustível adicional necessário para retornar. No entanto, a reutilização é muito mais importante, o que pela primeira vez nos impede de coletar a mídia antes de cada lançamento - e perdê-la após cada retirada. Somente essa abordagem pode garantir a criação de um fluxo de carga bilateral estável entre a Terra e a órbita e, ao mesmo tempo, o início de uma exploração real, ativa e em larga escala do espaço próximo à Terra.

Enquanto isso, CORONA permanece no limbo, o trabalho em New Shepard continua. Um projeto japonês semelhante, o RVT, também está sendo desenvolvido. Os desenvolvedores russos podem simplesmente não ter suporte suficiente para uma inovação. Se você tiver um bilhão a mais, este será um investimento muito melhor do que o maior e mais luxuoso iate do mundo.


Nosso especialista

Alexander Vavilin Educação: Universidade Estadual de Chelyabinsk Trabalho: Engenheiro Líder de Design do Departamento de Design da GRTs im. Makeeva

O artigo “Do complexo ao simples” foi publicado na revista Popular Mechanics (nº 4, abril de 2017).

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