Si ritiene che le tecnologie si sviluppino sempre gradualmente, dal semplice al complesso, dal coltello di pietra all'acciaio - e solo allora a una fresatrice programmata. Tuttavia, il destino della missilistica spaziale si è rivelato meno semplice. La creazione di missili a stadio singolo semplici e affidabili è rimasta a lungo inaccessibile ai progettisti. Erano necessarie soluzioni che né gli scienziati dei materiali né gli ingegneri dei motori potevano offrire. Fino ad ora, i veicoli di lancio rimangono multistadio e usa e getta: un sistema incredibilmente complesso e costoso viene utilizzato per pochi minuti, dopodiché viene gettato via
“Immagina che prima di ogni volo assemblassi un nuovo aereo: collegheresti la fusoliera alle ali, stenderesti i cavi elettrici, installerai i motori, e dopo l'atterraggio lo manderesti in discarica… Non volerai lontano come quello", ci hanno detto gli sviluppatori dello State Missile Center. Makeeva. “Ma è esattamente quello che facciamo ogni volta che mandiamo un carico in orbita. Naturalmente, idealmente tutti vorrebbero avere una "macchina" affidabile a uno stadio che non richiede assemblaggio, ma arriva al cosmodromo, rifornita e lanciata. E poi ritorna e ricomincia - e ancora "…
A metà strada
In generale, la missilistica ha cercato di cavarsela con una fase dei primi progetti. Negli schizzi iniziali di Tsiolkovsky, appaiono proprio tali strutture. Abbandonò questa idea solo in seguito, rendendosi conto che le tecnologie dei primi del Novecento non permettevano di realizzare questa soluzione semplice ed elegante. L'interesse per i vettori a un solo stadio è sorto di nuovo negli anni '60 e tali progetti sono stati elaborati su entrambe le sponde dell'oceano. Negli anni '70, gli Stati Uniti stavano lavorando su razzi a stadio singolo SASSTO, Phoenix e diverse soluzioni basate sull'S-IVB, il terzo stadio del veicolo di lancio Saturn V, che portava gli astronauti sulla luna.
"Una tale opzione non differirebbe nella capacità di carico, i motori non erano abbastanza buoni per questo, ma sarebbe comunque uno stadio, abbastanza capace di volare in orbita", continuano gli ingegneri. "Naturalmente, economicamente sarebbe del tutto ingiustificato". I compositi e le tecnologie per lavorare con loro sono apparsi solo negli ultimi decenni, che consentono di rendere il vettore a uno stadio e, inoltre, riutilizzabile. Il costo di un tale razzo "scientifico" sarà superiore a quello di un design tradizionale, ma sarà "spalmato" su molti lanci, in modo che il prezzo di lancio sarà molto più basso del normale livello.
È la riutilizzabilità dei media l'obiettivo principale degli sviluppatori oggi. I sistemi Space Shuttle ed Energia-Buran erano parzialmente riutilizzabili. L'uso ripetuto del primo stadio è in fase di test per i razzi SpaceX Falcon 9. SpaceX ha già effettuato diversi atterraggi di successo e alla fine di marzo proveranno a lanciare di nuovo uno degli stadi che è volato nello spazio. "Secondo noi, questo approccio non può che screditare l'idea di creare un vero e proprio supporto riutilizzabile", osserva il Makeev Design Bureau. "Devi ancora sistemare un tale razzo dopo ogni volo, installare connessioni e nuovi componenti usa e getta … e siamo tornati al punto di partenza".
I supporti completamente riutilizzabili sono ancora solo sotto forma di progetti, ad eccezione del New Shepard della società americana Blue Origin. Finora, il razzo con una capsula con equipaggio è progettato solo per voli suborbitali di turisti spaziali, ma la maggior parte delle soluzioni trovate in questo caso può essere facilmente ridimensionata per un vettore orbitale più serio. I rappresentanti dell'azienda non nascondono i loro piani per creare una tale opzione, per la quale sono già in fase di sviluppo potenti motori BE-3 e BE-4. "Con ogni volo suborbitale, ci avviciniamo all'orbita", ha assicurato Blue Origin. Ma anche il loro promettente vettore New Glenn non sarà completamente riutilizzabile: solo il primo blocco, creato sulla base del progetto New Shepard già testato, dovrebbe essere riutilizzato.
Resistenza del materiale
I materiali CFRP necessari per i razzi completamente riutilizzabili e monostadio sono stati utilizzati nella tecnologia aerospaziale dagli anni '90. In quegli stessi anni, gli ingegneri di McDonnell Douglas iniziarono rapidamente a implementare il progetto Delta Clipper (DC-X), e oggi possono vantare un vettore in fibra di carbonio pronto e volante. Sfortunatamente, sotto la pressione di Lockheed Martin, il lavoro su DC-X è stato interrotto, le tecnologie sono state trasferite alla NASA, dove hanno cercato di usarle per il fallito progetto VentureStar, dopo di che molti ingegneri coinvolti in questo argomento sono andati a lavorare a Blue Origin, e la società stessa è stata rilevata da Boeing.
Negli stessi anni '90, il russo SRC Makeev si interessò a questo compito. Da allora, il progetto KORONA ("Razzo spaziale, vettore monostadio di veicoli [spaziali]") ha subito una notevole evoluzione e le versioni intermedie mostrano come il design e il layout siano diventati sempre più semplici e perfetti. A poco a poco, gli sviluppatori hanno abbandonato elementi complessi - come ali o serbatoi di carburante esterni - e sono giunti alla conclusione che il materiale principale del corpo dovrebbe essere in fibra di carbonio. Insieme all'aspetto, sono cambiati sia il peso che la capacità di carico. "Utilizzando anche i migliori materiali moderni, è impossibile costruire un razzo a stadio singolo che pesa meno di 60-70 tonnellate, mentre il suo carico utile sarà molto piccolo", afferma uno degli sviluppatori. - Ma man mano che la massa di partenza cresce, la struttura (fino a un certo limite) ha una quota sempre più piccola, e diventa sempre più redditizio utilizzarla. Per un razzo orbitale, questo valore ottimale è di circa 160-170 tonnellate, partendo da questa scala il suo utilizzo può già essere giustificato».
Nell'ultima versione del progetto KORONA, la massa di lancio è ancora più alta e si avvicina alle tonnellate 300. Un così grande razzo monostadio richiede l'uso di un motore a reazione a propellente liquido altamente efficiente che funziona con idrogeno e ossigeno. A differenza dei motori in stadi separati, un tale motore a razzo a propellente liquido deve essere in grado di funzionare in condizioni molto diverse e ad altitudini diverse, compreso il decollo e il volo al di fuori dell'atmosfera. "Un motore a propellente liquido convenzionale con ugelli Laval è efficace solo a determinati intervalli di altitudine", spiegano i progettisti Makeevka, "pertanto, siamo giunti alla necessità di utilizzare un motore a razzo a cuneo". Il getto di gas in tali motori si adatta alla pressione "fuori bordo" e mantengono l'efficienza sia in superficie che in alto nella stratosfera.
Finora non esiste al mondo un motore funzionante di questo tipo, anche se sono stati e vengono affrontati sia nel nostro Paese che negli USA. Negli anni '60, gli ingegneri Rocketdyne testarono tali motori su un supporto, ma non arrivarono all'installazione sui missili. CROWN dovrebbe essere dotato di una versione modulare, in cui l'ugello cuneo-aria è l'unico elemento che non ha ancora un prototipo e non è stato testato. Esistono anche tutte le tecnologie per la produzione di parti composite in Russia: sono state sviluppate e vengono utilizzate con successo, ad esempio, presso l'All-Russian Institute of Aviation Materials (VIAM) e presso OJSC "Kompozit".
Vestibilità verticale
Durante il volo nell'atmosfera, la struttura in plastica rinforzata con fibra di carbonio del CORONA sarà ricoperta di piastrelle termoisolanti sviluppate da VIAM per i Buran e da allora sono state notevolmente migliorate."Il principale carico di calore sul nostro razzo è concentrato sul suo" naso ", dove vengono utilizzati elementi di protezione termica ad alta temperatura, - spiegano i progettisti. - In questo caso, i lati in espansione del razzo hanno un diametro maggiore e sono ad angolo acuto rispetto al flusso d'aria. Il carico termico su di essi è inferiore, il che consente l'uso di materiali più leggeri. Di conseguenza, abbiamo risparmiato più di 1,5 tonnellate. La massa della parte ad alta temperatura non supera il 6% della massa totale della protezione termica. Per fare un confronto, rappresenta oltre il 20% degli Shuttle".
L'elegante design affusolato del supporto è il risultato di innumerevoli tentativi ed errori. Secondo gli sviluppatori, se si prendono solo le caratteristiche chiave di un possibile vettore monostadio riutilizzabile, si dovranno considerare circa 16.000 combinazioni di esse. Centinaia di loro sono stati apprezzati dai designer mentre lavoravano al progetto. "Abbiamo deciso di abbandonare le ali, come sul Buran o sullo Space Shuttle", dicono. - In generale, nell'atmosfera superiore, interferiscono solo con i veicoli spaziali. Tali navi entrano nell'atmosfera a una velocità ipersonica non migliore di un "ferro", e solo a velocità supersonica passano al volo orizzontale e possono fare affidamento sull'aerodinamica delle ali ".
La forma a cono assialsimmetrico non solo consente una protezione termica più semplice, ma ha anche una buona aerodinamica durante la guida a velocità molto elevate. Già negli strati superiori dell'atmosfera, il razzo riceve un sollevamento, che gli consente non solo di frenare qui, ma anche di manovrare. Ciò, a sua volta, consente di effettuare le manovre necessarie in alta quota, dirigendosi verso il sito di atterraggio e, nel volo futuro, resta solo da completare la frenata, correggere la rotta e svoltare a poppa, utilizzando motori di manovra deboli.
Ricorda sia il Falcon 9 che il New Shepard: non c'è niente di impossibile o addirittura insolito nell'atterraggio verticale oggi. Allo stesso tempo, consente di cavarsela con forze notevolmente inferiori durante la costruzione e l'esercizio della pista - la pista su cui sono atterrati gli stessi Shuttle e Buran doveva avere una lunghezza di diversi chilometri per frenare il veicolo a una velocità di centinaia di chilometri orari. "La CROWN, in linea di principio, può anche decollare da una piattaforma offshore e atterrare su di essa", aggiunge uno degli autori del progetto, "la precisione di atterraggio finale sarà di circa 10 m, il razzo viene abbassato su ammortizzatori pneumatici retrattili.” Non resta che eseguire la diagnostica, fare rifornimento, posizionare un nuovo carico utile e puoi tornare a volare.
KORONA è ancora in fase di implementazione in assenza di finanziamenti, quindi gli sviluppatori del Makeev Design Bureau sono riusciti ad arrivare solo alle fasi finali della bozza del progetto. “Abbiamo superato questa fase quasi del tutto e in modo completamente indipendente, senza supporto esterno. Abbiamo già fatto tutto il possibile, - dicono i designer. - Sappiamo cosa, dove e quando dovrebbe essere prodotto. Ora dobbiamo passare alla progettazione pratica, alla produzione e allo sviluppo di unità chiave, e questo richiede denaro, quindi ora tutto dipende da loro.
Partenza ritardata
Il razzo CFRP si aspetta solo un lancio su larga scala; dopo aver ricevuto il supporto necessario, i progettisti sono pronti per iniziare i test di volo tra sei anni e tra sette e otto anni per iniziare l'operazione sperimentale dei primi missili. Stimano che ciò richieda meno di $ 2 miliardi, non molto per gli standard dei missili. Allo stesso tempo, ci si può aspettare un ritorno sull'investimento dopo sette anni di utilizzo del razzo, se il numero di lanci commerciali rimane al livello attuale, o anche in 1,5 anni, se cresce ai tassi previsti.
Inoltre, la presenza di motori di manovra, rendez-vous e strutture di attracco sul razzo consente anche di contare su complessi schemi di lancio multi-lancio. Avendo esaurito il carburante non per l'atterraggio, ma per finire il carico utile, è possibile portarlo a una massa di oltre 11 tonnellate. Quindi la CORONA attraccherà con la seconda, "cisterna", che riempirà i suoi serbatoi con il carburante aggiuntivo necessario per il ritorno. Ma ancora, molto più importante è la riutilizzabilità, che per la prima volta ci solleverà dalla necessità di raccogliere i media prima di ogni lancio e di perderli dopo ogni lancio. Solo un tale approccio può garantire la creazione di un flusso di traffico stabile a doppio senso tra la Terra e l'orbita, e allo stesso tempo l'inizio di un reale, attivo, sfruttamento su larga scala dello spazio vicino alla Terra.
Nel frattempo, il CROWN rimane nel limbo, i lavori su New Shepard continuano. Si sta sviluppando anche un progetto giapponese simile RVT. Gli sviluppatori russi potrebbero semplicemente non avere abbastanza supporto per una svolta. Se hai un paio di miliardi da risparmiare, questo è un investimento di gran lunga migliore persino dello yacht più grande e lussuoso del mondo.
