Nỗ lực # 2. LEGO tên lửa của Mỹ
Tôi nghĩ rằng nhiều người đam mê du hành vũ trụ đang tích cực quan tâm đến lịch sử và tình hình hiện tại của các vấn đề trong lĩnh vực khám phá và thám hiểm ngoài không gian, đã công nhận tên lửa được mô tả trong bức ảnh tiêu đề.
Tên lửa này, hay chính xác hơn, tên lửa đẩy, là tên lửa nhiên liệu rắn lớn nhất mà nhân loại từng tạo ra.
Chà, bây giờ nó thậm chí còn trở nên nhiều hơn.
Đây là phần phụ của hệ thống Tàu con thoi, hiện đã trở nên lớn hơn, đã nhận được, ngoài bốn phần tiêu chuẩn mà nó đã phóng bằng Tàu con thoi, một phần bổ sung thứ năm, sẽ cho phép nó trở thành một tên lửa. tăng cường cho hệ thống phóng không gian siêu nặng mới của NASA có tên SLS (Hệ thống Phóng Không gian).
Theo ý tưởng của NASA, chính hệ thống này sẽ trả lại lòng bàn tay cho Hợp chủng quốc Hoa Kỳ trong mọi khía cạnh khám phá không gian, trên con đường mang lại cho tất cả nhân loại cơ hội quay trở lại biên giới không gian, cuối cùng phá vỡ vòng luẩn quẩn của thấp Quỹ đạo Trái đất và đặt vấn đề thăm dò mặt trăng trở lại chương trình nghị sự và ... thậm chí cả sao Hỏa.
Mức độ thực tế và mức độ khả thi của chương trình đầy tham vọng này như thế nào? Hãy thử tìm hiểu xem.
So sánh kích thước của các hệ thống phóng lịch sử, hiện đại và các hệ thống phóng của Mỹ đang được phát triển.
Một câu hỏi nhanh: tại sao Delta IV lại lớn hơn Falcon 9?
Tình trạng hiện tại của các phi hành gia Hoa Kỳ sau khi hệ thống Tàu con thoi rời khỏi đấu trường là khá đáng trách: phương tiện phóng nặng nhất mà Hoa Kỳ đang sử dụng cho đến ngày nay là Delta IV Heavy, có thể đưa vào quỹ đạo Trái đất tầm thấp (LEO) tải trọng 28,4, XNUMX tấn.
Dòng Delta IV, bất chấp rất nhiều nỗ lực về thiết kế, kỹ thuật và thương mại của Boeing để tạo ra và quảng bá sản phẩm con ra thị trường, nhưng hóa ra lại “sai thời điểm và không đúng chỗ”: trong bối cảnh chi phí thấp khi phóng tên lửa Proton của Nga và Zenit-3SL của Ukraine, chi phí phóng tải trọng bằng cách sử dụng Delta IV hóa ra là hoàn toàn không thể chịu nổi.
Một lần phóng chiếc Delta IV tiêu tốn 140-170 triệu đô la, trong khi chi phí của chiếc Proton, có trọng tải tương tự, vào khoảng 100 triệu đô la và chi phí phóng một chiếc nhỏ hơn, nhưng cạnh tranh với chiếc Delta IV "Zenith-3SL của Ukraine "thậm chí còn thấp hơn - chỉ 60 triệu đô la.
Chi phí phóng Delta IV cao như vậy buộc Boeing phải tìm kiếm đơn đặt hàng độc quyền của chính phủ cho nó, và kết quả là tất cả các lần phóng Delta IV, ngoại trừ một chiếc, đều do ngân sách của Bộ Ngoại giao Mỹ chi trả.
Cuối cùng, vào giữa những năm 2000, chiếc Delta IV cuối cùng đã rời khỏi phân khúc thương mại của các vụ phóng vào không gian - và không thể quay trở lại đó cho đến bây giờ, khi những người từ cửa hàng tư nhân SpaceX, người có tên lửa Falcon 9 cũng đến gần Thị trường ngách thị trường Delta IV, và một phiên bản sửa đổi của tên lửa tương tự tên là Falcon 2015 Heavy, dự kiến ra mắt vào năm 9, thậm chí còn vượt qua nó.
Đứa con tinh thần này của Elon Musk sẽ đưa chương trình không gian “riêng tư” của SpaceX lên một tầm cao không thể đạt được trước đây: đối với phiên bản một lần của phương tiện phóng, khối lượng hàng hóa đầu ra cho LEO sẽ lên tới 53 tấn, GPO - 21,2 tấn và lên quỹ đạo sao Hỏa - 13,2 tấn. Với sự trở lại của tên lửa đẩy bên và thiết bị trung tâm, sức chở sẽ không vượt quá 32 tấn mỗi LEO - bạn phải trả tiền cho khả năng tái sử dụng của phương tiện phóng với mức tiêu thụ nhiên liệu bổ sung và do đó, trọng tải sẽ giảm.
Trong số những cải tiến kỹ thuật trong quá trình phát triển Falcon 9 Heavy, nhà phát triển đã công bố khả năng độc nhất của việc làm tràn nhiên liệu và chất ôxy hóa trong quá trình bay từ tên lửa đẩy bên hông đến giai đoạn đầu tiên của phương tiện phóng, điều này sẽ giúp nó có đầy bình nhiên liệu. phần trung tâm tại thời điểm tách các tên lửa đẩy bên cạnh và cải thiện hiệu suất của trọng tải đưa vào quỹ đạo.
"Quỹ đạo đến sao Hỏa" được đề cập trong đoạn cuối không phải là một điều trừu tượng. Với trọng lượng phóng 1 tấn, gấp đôi khối lượng của chiếc Delta IV đang được phá kỷ lục hiện nay, chiếc Falcon nặng đã là bước đệm cần thiết cho phép bạn suy nghĩ nghiêm túc về các chuyến bay đến Mặt Trăng và Sao Hỏa. Mặc dù có cấu hình trông giống các thí nghiệm của Liên Xô với loạt phương tiện Zond hơn là chương trình Saturn-Apollo khổng lồ của Mỹ.
Tuy nhiên, trên đường đến đỉnh, các khái niệm Delta IV và Falcon 9 với tên lửa đẩy bên cạnh, vốn là "bản sao" của giai đoạn đầu tiên của chúng, bắt đầu trượt như mong đợi.
Vấn đề là không thể nhân các "cạnh" bắt đầu đến vô hạn, điều này cho phép bạn tăng khối lượng tải hiển thị trên LEO - hai hoặc bốn khối bên vẫn có thể được gắn bằng cách nào đó vào khối trung tâm, nhưng sau đó sự phức tạp của việc lắp ráp và quản lý một cấu trúc nhiều thành phần như vậy tăng lên theo cấp số nhân.
Nhìn chung, chính vì điều này mà tên lửa Mặt Trăng hoàng gia N-1 đã được "lấp đầy", trong đó 30 động cơ tên lửa NK-33 đứng ở giai đoạn đầu tiên, cùng với sơ đồ XNUMX giai đoạn của chính tên lửa, đã không cho phép tìm ra đến cùng tất cả các câu hỏi về sự ra mắt không có sự cố của nó.
Cấu hình hiện tại của Falcon 9, bắt đầu ngay lập tức với 27 động cơ, đã gần đến giới hạn phức tạp và hơn nữa, rất có thể, công ty của Elon Musk sẽ cần phải tăng khối lượng và kích thước của một đơn vị tên lửa duy nhất, điều này sẽ ngay lập tức tăng lên các yêu cầu dọc theo toàn bộ chuỗi sản xuất, vận chuyển và phóng tên lửa.
Họ tên lửa Angara đầy hứa hẹn của Nga có khả năng gặp phải những vấn đề tương tự. Kích thước tương đối nhỏ của một khối đã dẫn đến thực tế là tên lửa Angara-A5 với trọng lượng phóng 733 tấn phải được trang bị ngay bốn "bên" tăng cường (với trọng tải 24,5 tấn tại LEO).
Việc tăng thêm khả năng chuyên chở của Angara phụ thuộc vào thực tế là không phải bốn, mà là sáu tên lửa đẩy phải được gắn vào phần cơ sở của giai đoạn thứ hai, có lẽ đã là một loại giới hạn về cấu trúc và kỹ thuật đối với các hệ thống gói mở rộng, vì giới hạn cho khái niệm Falcon 9 là 27 động cơ Merlin-1D trên ba khối phóng.
Dự án Angara-A7 kết quả, theo tính toán, với trọng lượng phóng của chính nó là 1370 tấn, phóng lên LEO có trọng tải 50 tấn (trong trường hợp sử dụng nhiên liệu hydro cho giai đoạn thứ hai), điều này rất có thể sẽ là tỷ lệ tối đa của khái niệm họ tên lửa Angara.
Nói chung, bất cứ điều gì người ta có thể nói, các khái niệm dựa trên đơn vị tên lửa hạng 200 hoặc thậm chí 400 tấn, hóa ra vẫn là giới hạn karachun về cấu trúc và kỹ thuật cho các tên lửa "gói" như vậy có trọng lượng phóng khoảng 1300- 1500 tấn, tương ứng với khối lượng đầu ra ở mức 45-55 tấn trên mỗi LEO.
Nhưng sau đó, cần phải tăng cả lực đẩy của một động cơ đơn lẻ và kích thước của tầng tên lửa hoặc bộ phận tăng cường.
Và đây chính xác là cách mà dự án SLS đang diễn ra ngày nay.
Đầu tiên, có tính đến trải nghiệm tiêu cực của Delta IV, các nhà phát triển SLS đã cố gắng tận dụng tối đa những phát triển trong quá khứ. Mọi thứ và mọi thứ đã đi vào hoạt động: tên lửa đẩy của tàu con thoi, được tăng cường cho mục đích tạo ra một tên lửa hạng nặng, và động cơ hydro-oxy RS-25 cũ của chính tàu con thoi, được lắp đặt ở giai đoạn thứ hai, và. ... (những người ủng hộ lý thuyết "âm mưu mặt trăng - hãy sẵn sàng!) Động cơ hydro-oxy J-2X bị lãng quên từ lâu, bắt nguồn từ động cơ của giai đoạn thứ hai và thứ ba của tên lửa mặt trăng Saturn V và được đề xuất là được sử dụng trong các giai đoạn trên SLS được thiết kế!
Hơn nữa, các kế hoạch dài hạn để cải tiến tên lửa đẩy SLS ngụ ý hai dự án cạnh tranh sử dụng động cơ tên lửa đẩy chất lỏng thay vì động cơ tên lửa đẩy rắn: dự án của công ty Aerojet, giới thiệu động cơ ôxy dầu hỏa chu trình kín AJ1E6 đang được phát triển cho tàu sân bay "hạng nặng" trong tương lai, xuất phát từ tên lửa NK-33 Royal H-1 - và dự án Pratt & Whitney Rocketdyne, đề xuất ... (và một lần nữa, gây ngạc nhiên, những người hoài nghi mặt trăng!) khôi phục việc sản xuất động cơ F-1 ở Hoa Kỳ, nơi đã có lúc nâng tên lửa Saturn V nổi tiếng khỏi Trái đất ”.
Tham gia vào việc phát triển một thiết bị phóng tên lửa đầy hứa hẹn trong tương lai và nhà sản xuất tên lửa đẩy nhiên liệu rắn hiện tại đang lắp ráp ban đầu của phương tiện phóng SLS, Block I - ATK (Alliant Techsystems), đề xuất mở rộng hơn nữa thiết bị tăng cường Tàu con thoi hiện có , tăng chiều dài và đường kính của nó. Dự án về một máy gia tốc đầy hứa hẹn từ ATK có tên là "Black Knight" (Hiệp sĩ bóng đêm).
Chà, như một quả anh đào trên bánh - một trong những cấu hình tương lai của hệ thống SLS, Block Ib, liên quan đến việc sử dụng khối hydro-oxy mượn từ ... tên lửa Delta IV làm giai đoạn thứ ba!
Bạn biết đấy, "LEGO địa ngục" mà NASA đã cố gắng đánh giá, kết hợp và sử dụng tất cả những phát triển hiện có trong lĩnh vực tên lửa hạng nặng.
Họ SLS là gì? Thật vậy, như chúng ta đã nhớ từ ví dụ về Delta IV, Angara và Falcon 9, các kích thước tổng thể có thể là lừa đảo.
Vì vậy, đây là một sơ đồ đơn giản để hiểu những gì dự định:
Ở phía bên trái của sơ đồ là các phương tiện phóng hạng nặng đã tồn tại ở Hoa Kỳ cho đến nay. Mặt trăng Saturn V, có thể cung cấp trọng tải 118 tấn cho LEO, và Tàu con thoi, dường như đưa tàu con thoi có thể tái sử dụng nặng từ 120 đến 130 tấn vào quỹ đạo, nhưng đồng thời có thể đưa nó vào quỹ đạo rất khiêm tốn. trọng tải - trọng tải chỉ 24 tấn.
Khái niệm SLS sẽ được thực hiện trong hai phiên bản cơ bản: có người lái (phi hành đoàn) và không người lái (chở hàng).
Ngoài ra, việc không có sẵn ba dự án tên lửa đẩy đầy hứa hẹn của Aerojet, Rocketdyne và ATK buộc NASA phải sử dụng “các bộ phận LEGO tên lửa” có sẵn - cụ thể là các tên lửa đẩy Tàu con thoi cải tiến gồm XNUMX phần đó.
Tuy nhiên, theo tất cả các tính toán, “tàu sân bay ersatz” chuyển tiếp được chế tạo theo cách này (chính thức được gọi là SLS Block I), sẽ có khả năng chuyên chở nghiêm trọng hơn nhiều so với chiếc Delta IV đang hoạt động hoặc Falcon 9 Heavy đã sẵn sàng để phóng. Xe phóng SLS Block I sẽ có thể nâng tải trọng 70 tấn lên LEO.
So với khái niệm SLS, các phát triển bị dừng lại của NASA trong chương trình Constellation được thể hiện - phương tiện phóng Ares (sao Hỏa), không được tạo ra từ đầu, chỉ thực hiện một chuyến bay thử nghiệm vào năm 2009, trong thiết kế Ares 1X, bao gồm cùng một bộ tăng lực Tàu con thoi bốn phần đã được sửa đổi, mà một tải thử nghiệm của phân đoạn thứ năm và một tải trọng thử nghiệm của giai đoạn thứ hai được gắn vào. Mục đích của chuyến bay thử nghiệm đó là để kiểm tra hoạt động của giai đoạn đầu tiên đẩy chất rắn trong cách bố trí “thanh đơn” (“nhật ký”), tuy nhiên, điều gì đó chắc chắn đã xảy ra trong quá trình thử nghiệm, khi giai đoạn 1 và 2 được tách ra, có một bước nhảy vọt trái phép của giai đoạn 1, rõ ràng là do sự đốt cháy các mảnh nhiên liệu bị xé ra bởi lực đẩy trong đó. Tên lửa đẩy rắn cuối cùng đã bắt kịp giai đoạn 2 và đâm nó.
Sau đó, nỗ lực khá không thành công để lắp ráp một “LEGO mới” từ các bộ phận cũ đã bị tắt ở NASA, dự án Ares và chính Chòm sao đã bị đẩy vào kệ của những khái niệm không thành công, và từ tồn đọng được phát triển trong khuôn khổ của Constellation, chỉ còn lại một tàu vũ trụ có người lái trên quỹ đạo khá thành công ”Orion, vốn được chế tạo theo sơ đồ khoang quay thông thường dành cho tàu dùng một lần, cuối cùng đã đặt dấu chấm hết cho tàu lượn tái sử dụng Space Shuttle.
Đường kính của tàu Orion là 5,3 mét, khối lượng của tàu khoảng 25 tấn. Thể tích bên trong của Orion sẽ lớn hơn 2,5 lần so với thể tích bên trong của tàu vũ trụ Apollo. Thể tích khoang tàu khoảng 9 m³. Nhờ khối lượng ấn tượng như vậy đối với một con tàu quỹ đạo và khối lượng bên trong tự do, Orion có thể hỗ trợ sự sống cho 6 phi hành gia trong các nhiệm vụ gần Trái đất ở quỹ đạo thấp (ví dụ: trong chuyến thám hiểm lên ISS).
Tuy nhiên, như đã đề cập ở phần đầu, nhiệm vụ chính của Orion, và nên đưa nó vào quỹ đạo ngoài hệ thống phóng tham chiếu thấp SLS, là đưa Hoa Kỳ trở lại các nhiệm vụ phát triển không gian xa gần Trái đất và trước hết là tất cả, Mặt trăng và Sao Hỏa.
Trên chuyến bay lên Mặt trăng và có thể tới Sao Hỏa là những nỗ lực chính của Hoa Kỳ và Nga được tính toán trong việc cải tiến tàu vũ trụ và phương tiện phóng của họ.
Ở đây, về nguyên tắc, dưới dạng bảng thuận tiện, sự khác biệt giữa Orion của Mỹ và hệ thống PPTS của Nga được phân tích.
Đối với cái tên PPKS PPTS, tất nhiên, bạn cần phải đánh bại một ai đó ngay lập tức, nhưng ôi thôi. Và nói chung, thật không may, mọi thứ vẫn rất phức tạp với dự án PCA.
Vì vậy, liên quan đến PPTS, cho đến nay chúng tôi chỉ có những bức tranh vui nhộn từ cuộc triển lãm. Nhưng trên thực tế, cho đến nay vẫn còn rất ít ...
Ngoài các vấn đề về kinh phí, sự hiểu lầm về khái niệm và một loạt các vấn đề về thiết kế và kỹ thuật, tương lai của PPTS cũng không chắc chắn do thiếu phương tiện phóng thích hợp cho một số nhiệm vụ theo kế hoạch của nó. Như tôi đã nói, cho đến nay Nga chỉ có Angara-A5 "bằng kim loại", có thể mang đến LEO không quá 24,5 tấn, đủ cho các nhiệm vụ gần Trái đất, nhưng hoàn toàn không đủ để tấn công Mặt trăng. hoặc sao Hỏa.
Ngoài ra, khái niệm về PPTS dựa trên việc tạo ra một giải pháp thay thế cho tên lửa Angara thuộc họ Rus-M, công việc này cũng đã bị dừng lại trong thời gian này.
Mục đích chính của tên lửa họ "Rus" là cung cấp các chuyến bay có người lái, do đó tên lửa, những thứ khác ngang nhau, có trọng tải trên LEO thấp hơn tên lửa của họ "Angara". Điều này là do thực tế là trong các chuyến bay có người lái, một trong những yêu cầu là khả năng của phương tiện phóng có thể rời khỏi bệ phóng ngay cả khi một trong các động cơ bị hỏng và yêu cầu đảm bảo tiếp tục chuyến bay trong trường hợp hỏng hóc tiếp theo. của một trong các động cơ - với việc tiếp tục phóng tàu vũ trụ vào quỹ đạo thấp hoặc cung cấp cứu hộ và hạ cánh an toàn.
Các yêu cầu này, bao gồm quỹ đạo rút đặc biệt, phải cung cấp lượng quá tải cho mỗi phi hành đoàn không quá 12 g đối với bất kỳ tình huống khẩn cấp nào và sự hiện diện của hệ thống cứu hộ khẩn cấp (SAS), dẫn đến giảm đáng kể khả năng chuyên chở của Rus trong phiên bản có người lái.
Ngoài ra, đường kính thiết kế của khối cơ sở "Rus" là 3,8 mét được lựa chọn dựa trên truyền thống để Liên Xô và Nga vận chuyển các bộ phận của phương tiện phóng bằng đường sắt.
Mặt khác, ở Hoa Kỳ, bắt đầu từ chương trình Saturn-Apollo, các giai đoạn đầu tiên của các phương tiện phóng đã được thực hiện dựa trên kích thước phù hợp, có tính đến khả năng vận chuyển chúng bằng phương tiện giao thông đường thủy (ven biển và sông). , điều này đã đơn giản hóa đáng kể các yêu cầu về kích thước của một khối tên lửa riêng biệt.
Ngày nay, làm việc trên SLS và Orion, ngay cả sau khi Chòm sao sụp đổ, đang hoạt động mạnh mẽ.
Sau khi hoàn thành công việc trên SLS Block I, sẽ gần như hoàn toàn dựa trên tồn đọng của Tàu con thoi hiện có, NASA có kế hoạch chuyển sang giai đoạn tiếp theo, tham vọng hơn nhiều - SLS Block II, với các điểm dừng trung gian dưới dạng SLS Block Ia và SLS Khối Ib.
Phương tiện phóng SLS Block Ia hẳn đã nhận được một số tên lửa đẩy đầy hứa hẹn: từ Aerojet trên dầu hỏa-oxy chu trình kín AJ1E6, hoặc từ Rocketdyne trên F-1 chu trình mở được sửa đổi từ Saturn V, hoặc từ "Hiệp sĩ đen" nhiên liệu rắn mới của ATK.
Bất kỳ lựa chọn nào trong số này đều có thể cung cấp cho thiết kế Block Ia sức chở LEO khoảng 105 tấn, tương đương với sức chở của Saturn V và Tàu con thoi (nếu bạn tính nó cùng với tàu con thoi).
Các nhiệm vụ tương tự sẽ được giải quyết bằng cách tạo ra một quy mô lớn và điều chỉnh cho phù hợp với kích thước của toàn bộ hệ thống phóng của giai đoạn đông lạnh thứ ba, có thể bổ sung cho hệ thống hai giai đoạn Khối I (tên lửa đẩy và giai đoạn trung tâm trên Không gian. Động cơ tàu con thoi) với giai đoạn thứ ba, đối với biến thể Block Ia sẽ giống như tôi đã đề cập, được mượn từ tên lửa Delta IV và cũng sẽ cung cấp SLS với sản lượng lên tới 105 tấn trọng tải cho LEO.
Và cuối cùng, phiên bản cuối cùng của hệ thống Block II sẽ nhận được giai đoạn thứ ba kích thước đầy đủ được thiết kế đặc biệt cho khối SLS, sẽ sử dụng, giống như giai đoạn thứ hai của Saturn V, 5 động cơ J-2X tiên tiến và sẽ mang lại 130 hàng tấn trọng tải đối với LEO.
Nhưng ngay cả với tất cả những thủ thuật này, một "LEGO không gian" như vậy sẽ có giá khoảng 500 triệu đô la mỗi lần phóng, tất nhiên, ít hơn chi phí phóng Tàu con thoi (1,3 tỷ đô la), nhưng vẫn - đủ nhạy cho Ngân sách của NASA.
SLS nên giải quyết những nhiệm vụ gì và tại sao NASA không tính đến phương án Falcon 9 Heavy, được cho là sẽ cung cấp chi phí 135 triệu đô la Mỹ cho một hệ thống dùng một lần với nhiên liệu tràn và trọng tải 53 tấn cho LEO?
Vấn đề là NASA đã nhắm mục tiêu vào Mặt trăng, sao Hỏa và thậm chí cả các tiểu hành tinh và mặt trăng của sao Mộc! Và Falcon 9 Heavy hóa ra là một tên lửa quá nhỏ cho những nhiệm vụ như vậy ...
Nhưng điều này, tất nhiên, là một chủ đề cho một bài báo riêng biệt tốt ...
Tái bút. Sau khi đọc lại bài viết của tôi một lần nữa, tôi thông báo cho bạn.
Nếu tôi chỉ trích các cách tiếp cận hiện đại của Nga trong việc khám phá không gian và khen ngợi người Mỹ, thì có những lý do chính đáng cho điều đó.
Trở lại năm 2010, tình trạng của chương trình thám hiểm không gian của Mỹ rất đáng trách: chương trình Tàu con thoi đã được lên kế hoạch đóng cửa, các vụ phóng Ares cho thấy sự thất bại hoàn toàn của ý tưởng Constellation, tất cả các tờ báo và tạp chí của Mỹ đều viết về "chế độ nô lệ không gian của Nga" cho Hoa Kỳ.
Tuy nhiên, trong 5 năm qua, ngành công nghiệp vũ trụ Hoa Kỳ đã tập hợp lại, nhận được tài trợ cần thiết - và học cách sống trong những điều kiện mới, nghiêm ngặt hơn.
Liệu các nhà du hành vũ trụ Nga có thể tự hào về điều này trong 5 năm tới, đặc biệt là trong bối cảnh thực tế là năm nay mang đến cho chúng ta tin xấu về việc đóng cửa các chương trình phóng Rus-M và PPTS, hoãn phóng vũ trụ Vostochny và tổng số tiền giảm tài trợ cho Roskosmos?
Chờ và xem. Tôi giữ các ngón tay của chúng tôi với một cây thánh giá.
tin tức