Как известно, концепция многоразовой космической системы Space Shuttle оказалась ошибкой. Американцы, вложившие в неё колоссальные средства — в конечном счете оказались у разбитого корыта и вынуждены покупать запуски и ракетные двигатели у своих заклятых врагов.
Ну а «многоразовые» системы от Илона Маска, все эти многоступенчатые ракеты с ногами на древних моторах времен 60-х годов — это вообще антинаучная ахинея. Это давно просчитано, но Илону надо что-то говорить держателям акций — вот он и имитирует какие-то «достижения», пользуясь технической некомпетентностью аудитории.
За всем этим рекламным треском никто не заметил, как русские осуществили прорыв в разработке многоразовых космических систем. Оказывается, ГРЦ Макеева (разработчик ракет для подводных лодок) начал работать над многоразовой системой в 90-е годы, после развала СССР. При этом перед ними была поставлена задача создать систему, которая летала бы «как самолет» — не в смысле крыльев, а в смысле процедур подготовки к полету. То есть ракета должна была летать в космос, возвращаться, проходить ТО без разборки основных агрегатов, затем заправляться и снова лететь. В идеале интервал между запусками должен был составлять несколько суток, а основные расходы — это стоимость горючего.
В процессе разработки система претерпела множество концептуальных изменений:
Рассмотрев вариант классической одноступенчатой ракеты с ЖРД и стартовыми ускорителями на твердом топливе, конструкторы убедились, что на старых подходах тут ничего не сделать. Поэтому реальную проработку многоразовой системы в ГРЦ Макеева начали с идеи орбитального самолета с крылышками, который на начальном этапе разгоняла многоразовая разгонная ступень, состоявшая из пакета 10 турбореактивных двигателей АЛ-31Ф (от Су-27). Затем эта ступень отделялась и спасалась отдельно.
Потом от АЛ-31Ф отказались в пользу более привычных и дешевых (на начальном этапе отработки системы) твердотопливных разгонников.
В 1996 году в ГРЦ Макеева додумались уйти от схемы орбитального самолета с крылышками к простой конической форме — ровно такую форму имеют Entry Vehicle у ядерных боеголовок. Забавным образом оказалось, что у такой схемы ниже перегрузки и температурная напряженность при возврате в атмосферу с орбиты, а по боковому маневру она не уступает крылатой схеме. Кроме того, такая конструкция проще реализует моноблок и оказывается легче.
До недавних пор у такой аэродинамической схемы имелись проблемы с управляемостью в атмосфере — однако работы над активно маневрирующими боеголовками позволили эти проблемы решить.
В 1997 году в поисках резервов для улучшения ТТХ системы конструкторы додумались до ЖРД с центральным телом. Дело в том, что ЖРД в одноступенчатой системе вынужден работать в очень разных условиях — от старта (при давлении атмосферы и малых скоростях полета) и до орбиты (в условиях вакуума и первой космической скорости). Классические ЖРД не могут быть реализованы с высоким КПД для таких разных условий — именно поэтому на ракетах ставятся разные двигатели на разные ступени. Даже у Илона Маска, вынужденного использовать единственную конструкцию двигателя, стыренного из НАСА, инженеры были вынуждены создать специальную версию двигателя Merlin для работы в условиях разряженной атмосферы и вакуума.
Так вот — ЖРД с центральным телом позволяет элегантно обойти эту проблему, добившись высокого КПД от стартового стола и до космоса. Вот вам картинка, иллюстрирующая суть проблемы (для примера взят двигатель с обычным соплом-«колоколом», оптимизированным для работы в вакууме, и он сравнивается с ЖРД с центральным телом, которое в США называют «aerospike» — воздушный клин):
Затем, примерно в 2000-м году, конструкторы Макеева додумались перенести агрегатный отсек и отсек полезной нагрузки в центр масс аппарата, между баками. Это резко улучшило центровку аппарата — которая в классической схеме сильно меняется после отделения полезной нагрузки.
Где-то в то же время они перешли от алюминиевого-магниевого каркаса с облицовкой керамикой к композитному монококу.
Всё это время ТТХ ракеты росли. Начали проект с вывода на НОО 1 тонны груза, переход на коническую форму увеличил нагрузку до 1.5 тонн, затем до 3 тонн, а сейчас речь уже идет о 6-7 тоннах.
К сожалению, в 2012-ом году все работы были свёрнуты и заморожены из-за отсутствия финансирования — деньги понадобились на доводку «Ангары». Но теперь деньги снова появились. И в первую очередь начали доводку реально нового реактивного двигателя с соплом Лаваля и центральным телом — так называемого «клиновоздушного двигателя». Двигатель выглядит перспективно и должен позволить наконец-то реализовать одноступенчатую орбитальную ракету. В перспективе — многоразовую.
Аналогом данного носителя являлся американский McDonnell Douglas DC-X. Эта ракета была создана и испытана в 90-ых. Её испытания продолжались 11 раз до 1996-го года.
Это так называемая ракета Дельта-Клиппер. Экспериментальная программа провалилась, и её закрыли. США не осилили столь сложную разработку. А вот русские — осилили.
Ракета технически очень простая — поскольку ступень единственная, это моноблок, у нее ничего не отделяется, кроме полезной нагрузки, причем отсек полезной нагрузки находится в середине ракеты, между баками горючего и окислителя:
Вот так выглядит вывод спутника на орбиту.
На днях по ТВ прозвучала новость, что русские начали доводку реально нового реактивного двигателя с соплом Лаваля и центральным телом — так называемого «клиновоздушного двигателя». Уменьшенный прототип успешно запускается и работает. Тут-то и все и узнали про новую разработку ракеты «Корона».
Основная идея такой конструкции двигателя («клиновоздушного») состоит в том, что на малой высоте атмосферное давление прижимает отработанный газ к выступающему клину. Затем рециркуляция в основании клина поднимает давление до значения окружающей атмосферы. В силу такой конструкции, тяга не достигает предельно возможных значений, но также и не претерпевает значительного падения, которое происходит в нижней части традиционного сопла из-за частичного вакуума. По мере того, как аппарат достигает бо́льшей высоты, сдерживающее реактивную струю двигателя окружающее давление уменьшается, при этом падает давление на верхнюю часть двигателя, что сохраняет его эффективность неизменной. Более того, несмотря на то, что окружающее давление падает практически до нуля, зона рециркуляции сохраняет давление на основание клина до величин, сравнимых с давлением атмосферы у поверхности Земли, в то время как верхняя часть клина находится практически в вакууме. Это создаёт дополнительную тягу с ростом высоты, компенсируя падение окружающего давления.
В целом, эффект сравним с традиционным соплом, которое имеет способность волшебным образом расширяться с увеличением высоты. В теории клиновоздушный двигатель несколько менее эффективен по сравнению с традиционным соплом, сконструированным для данной высоты, но, по сравнению с ним, более эффективен для любой другой высоты.
Надо заметить, что на самом деле додумались до такой конструкции отнюдь не наши конструкторы. В 1960-х годах Рокетдайн проводил обширные испытания с различными вариантами таких двигателей. Более поздние версии этих двигателей были основаны на крайне надёжных ЖРД J-2 (Рокетдайн) и обеспечивали приблизительно тот же уровень тяги, что могли обеспечить те двигатели, на которых они были основаны: ЖРД J-2T-200k обладал тягой 90,8 тс (890 кН), ЖРД J-2T-250k обладал тягой 112,2 тс (1,1 МН). Буква «T» в наименовании двигателя указывает на тороидальную камеру сгорания.
Двигатели этого типа были серьёзным претендентом на использование в качестве основных двигателей на МТКК «Спейс шаттл» при его создании, но — не взлетело. Двигатели работали, однако у них обнаружились некие проблемы в переходных режимах из-за ударной волны сверхзвука, возникающей за днищем клина.
Тридцатью годами позже эта работа была использована в проекте НАСА X-33. Не сумев решить проблему с ударной волной в конусе газов, американцы решили ее обойти, перейдя к клиновидному дизайну, вот такому:
Этот дизайн менее эффективен, но у него ударная волна имеет возможность распространяться в боковые стороны клина — что уменьшает ее воздействие на процессы истечения реактивной струи.
В ходе проекта X-33 были построены три таких двигателя XRS-2200, которые прошли программу испытаний в Космическом центре им. Стенниса НАСА. Испытания одного двигателя были успешными, но программа была остановлена.
Более крупный вариант XRS-2200 — ЖРД RS-2200 — был предназначен для одноступенчатого космоплана VentureStar (Lockheed Martin). В своем последнем варианте, семь RS-2200, каждый с тягой 245,8 тс (2,4 МН), должны были доставлять VentureStar на низкую опорную орбиту. Развитие этого проекта было формально прекращено в начале 2001 года, когда программа X-33 не получила финансирования в рамках программы «Инициатива космического запуска». Компанией Lockheed Martin было принято решение не продолжать развитие VentureStar без финансовой поддержки НАСА.
Считается, что объединённая команда Университета штата Калифорния в Лонг-Бич и компании Garvey Spacecraft Corporation успешно провела испытательный полет ракеты с КВРД в пустыне Мохаве. Однако это, разумеется, типичное американское Vaporware и медийная туфта, поскольку их «клиновоздушный ракетный двигатель» является насадкой на обычный твердотопливный двигатель:
Твердотопливные двигатели с центральным телом хорошо известны, и от этого дизайна давно отказались по множеству причин.
В июле 2014 года Firefly Space Systems объявила, что в своей новой ракете-носителе Firefly Alpha будет использовать клиновоздушный двигатель на первой ступени. Так как данная модель предназначается для рынка запуска малых спутников, ракета будет выводить спутники на низкую околоземную орбиту по цене 8-9 миллионов долларов за запуск. Firefly Alpha сконструирована так, чтобы поднимать на орбиту 400 кг полезного груза.
И вот у них мы видим тот самый дизайн, который нам показали на испытаниях двигателя для «Короны» Макеева:
Вместо тороидальной камеры сгорания используются множество небольших ЖРД, расположенных по окружности центрального тела с некоторым наклоном. При этом все двигатели используют общий турбонасосный агрегат, который прокачивает горючее и окислитель в стенках центрального тела, охлаждая его, и одновременно выхлоп турбины ТНА подается в днище центрального тела, обеспечивая поддув конуса из горячих газов, что увеличивает эффективность работы мотора на малых высотах.
Firefly Aerospace (ранее — Firefly Space Systems) в 2017 году обанкротилась, ее перекупили хохлы, и дальше всё понятно. Никакого клиновоздушного двигателя у них нет и не было, дальше рисунков они не продвинулись.
А русские — продвинулись:
Как видите, у русских мотор зажигается и работает. Да, пока на спирту и так далее — но так и делается отработка новых схем двигателей, сначала на простых парах топливо-окислитель, потом на более сложных.
ЗЫ. Между тем, ругаемый некоторыми «Роскосмос» установил рекорд – ровно 3 года без аварий при ракетных пусках. Всего за это время проведено 67 успешных пусков ракет космического назначения, и все слетали надёжно, как швейцарские часы.
Для сравнения, в мире с 11 октября 2018 года произошли 22 аварийных пуска.
Это вам не elonmusk, ребятки.
