Ngày nay, nhiều người trong chúng ta đã biết, hoặc ít nhất đã nghe nói đến gia đình phương tiện phóng có thể tái sử dụng một phần của công ty tư nhân SpaceX. Nhờ sự thành công của công ty, cũng như nhân cách của người sáng lập, Elon Musk, người thường xuyên trở thành anh hùng của news feed, tên lửa Falcon 9, SpaceX và các chuyến bay vũ trụ nói chung không rời các trang báo chí quốc tế. Đồng thời, Nga đã và vẫn có những bước phát triển của riêng mình và không ít dự án thú vị về tên lửa tái sử dụng, mà ít người biết đến. Câu trả lời cho câu hỏi tại sao điều này đang xảy ra là hiển nhiên. Tên lửa của Ilona Mask thường xuyên bay vào vũ trụ, và các tên lửa có thể tái sử dụng và tái sử dụng một phần của Nga cho đến nay chỉ là những dự án, bản vẽ và hình ảnh đẹp trong các bài thuyết trình.
Phóng vũ trụ hôm nay
Ngày nay, chúng ta có thể nói một cách an toàn rằng Roskosmos ở một số điểm đã bỏ lỡ chủ đề tên lửa có thể tái sử dụng, họ đã có những phát triển và dự án đi trước các quốc gia khác vài năm. Tất cả các dự án tên lửa tái sử dụng của Nga đều không bao giờ được hoàn thành, không được thực hiện bằng kim loại. Ví dụ, phương tiện phóng Korona một tầng có thể tái sử dụng, được phát triển từ năm 1992 đến năm 2012, chưa bao giờ được đưa ra kết luận hợp lý. Chúng tôi đã thấy kết quả của tính toán sai lầm này trong quá trình phát triển. Nga đã đánh mất vị thế nghiêm trọng trên thị trường phóng vào vũ trụ thương mại với sự ra đời của tên lửa Falcon 9 của Mỹ và các biến thể của nó, đồng thời cũng thua kém nghiêm trọng về số lần phóng vào vũ trụ mỗi năm. Vào cuối năm 2018, Roscosmos đã báo cáo về 20 vụ phóng vào không gian (một lần không thành công), trong khi trở lại vào tháng 4 năm 2018, trong một cuộc phỏng vấn với TASS, người đứng đầu Roscosmos, Igor Komarov, nói rằng họ có kế hoạch thực hiện 30 vụ phóng vào không gian bởi cuối năm. Dẫn đầu vào cuối năm ngoái là Trung Quốc, thực hiện 39 lần phóng vào không gian (một lần không thành công), đứng thứ hai là Mỹ với 31 lần phóng vào không gian (không có vụ nào không thành công).
Nói về các chuyến bay vũ trụ hiện đại, cần hiểu rằng trong tổng chi phí phóng một phương tiện phóng hiện đại (LV), hạng mục chi phí chính là bản thân tên lửa. Cơ thể, thùng nhiên liệu, động cơ của nó - tất cả những thứ này bay đi vĩnh viễn, bốc cháy trong các lớp dày đặc của khí quyển, rõ ràng là những chi phí không thể thu hồi đó biến bất kỳ vụ phóng xe phóng nào trở thành một thú vui rất tốn kém. Không phải bảo trì các sân bay vũ trụ, không phải nhiên liệu, không phải công việc lắp ráp trước khi phóng, mà là giá của chính chiếc xe khởi động, là khoản mục chính của chi phí. Một sản phẩm công nghệ rất phức tạp của tư tưởng kỹ thuật được sử dụng trong vài phút, sau đó nó bị phá hủy hoàn toàn. Đương nhiên, điều này đúng với tên lửa dùng một lần. Ý tưởng sử dụng các phương tiện phóng có thể phục hồi được tự nó gợi ý ở đây, như một cơ hội thực sự để giảm chi phí cho mỗi lần phóng vào không gian. Trong trường hợp này, ngay cả việc chỉ quay trở lại giai đoạn đầu cũng khiến chi phí của mỗi lần ra mắt thấp hơn.
Hạ cánh chặng đầu tiên có thể quay lại của phương tiện phóng Falcon 9
Đó là một kế hoạch tương tự đã được thực hiện bởi tỷ phú người Mỹ Elon Musk, làm cho giai đoạn đầu tiên có thể phục hồi của phương tiện phóng hạng nặng Falcon 9. Trong khi giai đoạn đầu tiên của những tên lửa này có thể phục hồi một phần, một số nỗ lực hạ cánh kết thúc thất bại, nhưng số các cuộc đổ bộ thất bại đã giảm xuống gần như bằng 0 trong năm 2017 và 2018. Ví dụ, năm ngoái, cứ 10 lần đổ bộ thành công của chặng đầu tiên thì chỉ có một lần thất bại. Đồng thời, SpaceX cũng mở đầu năm mới bằng việc hạ cánh thành công chặng đầu tiên. Vào ngày 11 tháng 1 năm 2019, giai đoạn đầu tiên của tên lửa Falcon 9 đã hạ cánh thành công xuống một bệ nổi, hơn nữa, nó đã được tái sử dụng và trước đó nó đã phóng vệ tinh liên lạc Telestar 18V lên quỹ đạo vào tháng 9 năm 2018. Ngày nay, những giai đoạn đầu tiên có thể quay trở lại như vậy đã là một sự hoàn hảo. Nhưng khi đại diện của công ty vũ trụ tư nhân Mỹ chỉ nói về dự án của họ, nhiều chuyên gia đã nghi ngờ khả năng thực hiện thành công của nó.
Trong thực tế ngày nay, giai đoạn đầu tiên của tên lửa Falcon 9 hạng nặng trong một số lần phóng có thể được sử dụng trong một phiên bản thử nghiệm lại. Đưa giai đoạn thứ hai của tên lửa đến độ cao vừa đủ, nó tách khỏi nó ở độ cao khoảng 70 km, việc tháo dỡ xảy ra khoảng 2,5 phút sau khi xe phóng khởi động (thời gian phụ thuộc vào nhiệm vụ phóng cụ thể). Sau khi tách khỏi LV, giai đoạn đầu tiên, sử dụng hệ thống kiểm soát thái độ đã cài đặt, thực hiện một thao tác nhỏ, tránh ngọn lửa của các động cơ giai đoạn hai đang hoạt động, và quay động cơ về phía trước để chuẩn bị cho ba lần điều động phanh chính. Khi hạ cánh, giai đoạn đầu tiên sử dụng động cơ riêng để phanh. Điều đáng chú ý là giai đoạn trở lại áp đặt các hạn chế riêng của nó đối với việc khởi chạy. Ví dụ, trọng tải tối đa của tên lửa Falcon 9 giảm từ 30 - 40%. Điều này là do nhu cầu dự trữ nhiên liệu cho quá trình phanh và hạ cánh sau đó, cũng như trọng lượng bổ sung của thiết bị hạ cánh được lắp đặt (bánh lái dạng lưới, hỗ trợ hạ cánh, các phần tử hệ thống điều khiển, v.v.).
Thành công của người Mỹ và hàng loạt vụ phóng thành công lớn không được chú ý trên thế giới, điều này đã làm dấy lên một loạt tuyên bố về việc bắt đầu các dự án sử dụng khả năng tái sử dụng một phần của tên lửa, bao gồm việc đưa tên lửa đẩy bên hông trở lại và giai đoạn đầu tiên quay trở lại Trái đất. Đại diện của Roscosmos cũng đã lên tiếng về tỷ số này. Công ty bắt đầu nói về việc nối lại công việc chế tạo tên lửa có thể tái sử dụng ở Nga vào đầu năm 2017.
Khởi động xe "Korona" - nhìn chung
Tên lửa Korona có thể tái sử dụng và các dự án trước đó
Điều đáng chú ý là ý tưởng về tên lửa tái sử dụng đã được nghiên cứu từ thời Liên Xô. Sau khi đất nước sụp đổ, chủ đề này vẫn không biến mất; công việc theo hướng này vẫn tiếp tục. Họ đã bắt đầu sớm hơn nhiều so với Elon Musk vừa nói về nó. Ví dụ, các khối trong giai đoạn đầu của tên lửa siêu nặng Energia của Liên Xô phải được trả lại, điều này là cần thiết vì lý do kinh tế và để triển khai nguồn lực của động cơ RD-170, được thiết kế cho ít nhất 10 chuyến bay.
Ít được biết đến hơn là dự án xe phóng Rossiyanka, được phát triển bởi các chuyên gia của Trung tâm Tên lửa Nhà nước Makeev của Viện sĩ V. P. Doanh nghiệp này chủ yếu được biết đến với các hoạt động phát triển quân sự. Ví dụ, chính tại đây, phần lớn tên lửa đạn đạo nội địa dùng để trang bị cho tàu ngầm đã được tạo ra, bao gồm tên lửa đạn đạo R-29RMU Sineva hiện đang được biên chế trong hạm đội tàu ngầm Nga.
Theo dự án, Rossiyanka là phương tiện phóng hai giai đoạn, giai đoạn đầu có thể tái sử dụng. Về cơ bản, ý tưởng tương tự như các kỹ sư SpaceX, nhưng trước đó vài năm. Tên lửa được cho là sẽ phóng 21,5 tấn hàng hóa lên quỹ đạo tham chiếu thấp - chỉ số gần với tên lửa Falcon 9. Sự quay trở lại của giai đoạn đầu tiên diễn ra dọc theo quỹ đạo đạn đạo do việc đưa lại các động cơ giai đoạn tiêu chuẩn vào. Nếu cần thiết, sức chở của tên lửa có thể tăng lên 35 tấn. Vào ngày 12 tháng 12, Makeyev SRC đã giới thiệu tên lửa mới của mình tại cuộc thi Roscosmos để phát triển các phương tiện phóng có thể tái sử dụng, nhưng đơn đặt hàng tạo ra các thiết bị này đã thuộc về các đối thủ của Trung tâm Không gian Sản xuất và Nghiên cứu Nhà nước Khrunichev với Baikal-Angara dự án. Rất có thể, các chuyên gia của Makeev SRC sẽ có đủ năng lực để thực hiện dự án của họ, nhưng nếu không có sự quan tâm và tài trợ đầy đủ thì điều đó là không thể.
Dự án Baikal-Angara thậm chí còn tham vọng hơn; nó là một phiên bản máy bay của giai đoạn đầu tiên quay trở lại Trái đất. Theo kế hoạch, sau khi đạt đến độ cao đã định của khoang, một cánh đặc biệt sẽ mở ra ở giai đoạn đầu tiên và sau đó nó sẽ bay dọc theo một chiếc máy bay hạ cánh tại một sân bay thông thường với thiết bị hạ cánh được mở rộng. Tuy nhiên, bản thân một hệ thống như vậy không chỉ rất phức tạp mà còn tốn kém. Công lao không thể chối cãi của cô ấy bao gồm việc cô ấy có thể quay trở lại từ một khoảng cách xa hơn. Thật không may, dự án đã không bao giờ được thực hiện, nó đôi khi vẫn được nhớ đến, nhưng không có gì hơn.
Giờ đây, thế giới đang nghĩ về các phương tiện phóng hoàn toàn có thể tái sử dụng. Elon Musk đã công bố dự án Big Falcon Rocket. Một tên lửa như vậy sẽ nhận được một kiến trúc hai giai đoạn không đặc trưng cho vũ trụ học hiện đại; giai đoạn thứ hai của nó là một tổng thể duy nhất với một tàu vũ trụ, có thể là hàng hóa hoặc hành khách. Theo kế hoạch, giai đoạn đầu tiên của Superheavy sẽ quay trở lại Trái đất, thực hiện hạ cánh thẳng đứng xuống vũ trụ thông qua việc sử dụng động cơ của nó, công nghệ này đã được phát triển hoàn hảo bởi các kỹ sư SpaceX. Giai đoạn thứ hai của tên lửa, cùng với một tàu vũ trụ (trên thực tế, đây là một tàu vũ trụ cho các mục đích khác nhau), được đặt tên là Starship, sẽ đi vào quỹ đạo của Trái đất. Giai đoạn thứ hai cũng sẽ có đủ nhiên liệu còn lại để giảm tốc trong các lớp dày đặc của khí quyển sau khi hoàn thành nhiệm vụ không gian và hạ cánh trên một giàn khoan ngoài khơi.
Điều đáng chú ý là SpaceX cũng không nhúng tay vào một ý tưởng như vậy. Ở Nga, dự án chế tạo phương tiện phóng tái sử dụng đã được phát triển từ những năm 1990. Và một lần nữa, họ đã làm việc trong dự án tại Trung tâm Tên lửa Nhà nước được đặt theo tên của Viện sĩ V. P. Makeev. Dự án tên lửa tái sử dụng của Nga có cái tên mỹ miều "Korona". Roscosmos đã thu hồi dự án này vào năm 2017, sau đó có nhiều ý kiến về việc tiếp tục dự án này. Ví dụ, vào tháng 1 năm 2018, tờ Rossiyskaya Gazeta đã đăng tải thông tin rằng Nga đã tiếp tục công việc chế tạo một tên lửa vũ trụ có thể tái sử dụng. Đó là về phương tiện phóng Korona.
Không giống như tên lửa Falcon-9 của Mỹ, Korona của Nga không có các tầng có thể tháo rời; trên thực tế, nó là một tàu vũ trụ cất và hạ cánh mềm duy nhất. Theo Vladimir Degtyar, Tổng thiết kế của Makeyev SRC, dự án này sẽ mở đường cho việc thực hiện các chuyến bay có người lái đường dài liên hành tinh. Theo kế hoạch, vật liệu cấu tạo chính của tên lửa mới của Nga sẽ là sợi carbon. Đồng thời, "Korona" được thiết kế để phóng tàu vũ trụ vào quỹ đạo trái đất thấp với độ cao từ 200 đến 500 km. Khối lượng xe phóng khoảng 300 tấn. Khối lượng của trọng tải đầu ra từ 7 đến 12 tấn. Việc cất cánh và hạ cánh của "Korona" nên được thực hiện bằng các phương tiện phóng đơn giản, ngoài ra, phương án phóng tên lửa có thể tái sử dụng từ các giàn khoan ngoài khơi đang được tính toán. Phương tiện phóng mới sẽ có thể sử dụng cùng một nền tảng để cất cánh và hạ cánh. Thời gian chuẩn bị tên lửa cho lần phóng tiếp theo chỉ khoảng một ngày.
Cần lưu ý rằng vật liệu sợi carbon cần thiết để tạo ra tên lửa một tầng và có thể tái sử dụng đã được sử dụng trong công nghệ hàng không vũ trụ từ những năm 90 của thế kỷ trước. Kể từ đầu những năm 1990, dự án Korona đã trải qua một chặng đường dài phát triển và đã phát triển đáng kể, không cần phải nói rằng ban đầu nó là về tên lửa một lần. Đồng thời, trong quá trình tiến hóa, thiết kế của tên lửa tương lai trở nên đơn giản hơn và hoàn hảo hơn. Dần dần, các nhà phát triển tên lửa từ bỏ việc sử dụng cánh và thùng nhiên liệu bên ngoài, họ hiểu rằng vật liệu chính của thân tên lửa có thể tái sử dụng sẽ là sợi carbon.
Trong phiên bản mới nhất của tên lửa Korona có thể tái sử dụng cho đến nay, khối lượng của nó là 280-290 tấn. Một phương tiện phóng một tầng lớn như vậy đòi hỏi một động cơ tên lửa đẩy chất lỏng hiệu quả cao chạy bằng hydro và oxy. Không giống như động cơ tên lửa được đặt trên các tầng riêng biệt, động cơ tên lửa đẩy chất lỏng như vậy sẽ hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện và độ cao khác nhau, bao gồm cả cất cánh và bay bên ngoài bầu khí quyển của Trái đất. Các nhà thiết kế của Makeevka cho biết: “Một động cơ tên lửa đẩy chất lỏng thông thường với vòi phun Laval chỉ có hiệu quả ở một số độ cao nhất định”. Phản lực khí trong các động cơ tên lửa như vậy tự điều chỉnh theo áp suất "quá mức"; hơn nữa, chúng vẫn giữ được hiệu suất của chúng ở cả bề mặt Trái đất và khá cao ở tầng bình lưu.
RN "Korona" trong chuyến bay quỹ đạo với khoang tải trọng đóng, kết xuất
Tuy nhiên, cho đến nay trên thế giới đơn giản là không tồn tại động cơ làm việc kiểu này, mặc dù chúng đã được phát triển tích cực ở Liên Xô và Hoa Kỳ. Các chuyên gia cho rằng phương tiện phóng tái sử dụng Korona nên được trang bị phiên bản động cơ mô-đun, trong đó vòi phun khí hình nêm là bộ phận duy nhất hiện chưa có nguyên mẫu và chưa được thử nghiệm thực tế. Đồng thời, Nga có các nhà công nghệ riêng trong việc sản xuất các vật liệu composite hiện đại và các bộ phận từ chúng. Việc phát triển và ứng dụng của chúng khá thành công, ví dụ như tại Công ty Cổ phần "Composite" và Viện Vật liệu Hàng không toàn Nga (VIAM).
Để có một chuyến bay an toàn trong bầu khí quyển của Trái đất, cấu trúc sợi carbon của Korona sẽ được bảo vệ bởi một lớp ngói chắn nhiệt, trước đây đã được phát triển tại VIAM cho tàu vũ trụ Buran và kể từ đó đã trải qua một chặng đường phát triển đáng kể. Các nhà thiết kế lưu ý: “Tải nhiệt chính trên Korona sẽ được tập trung vào mũi tàu của nó, nơi các phần tử bảo vệ nhiệt ở nhiệt độ cao được sử dụng,” các nhà thiết kế lưu ý. “Đồng thời, các cạnh loe của phương tiện phóng có đường kính lớn hơn và nằm ở góc nhọn so với luồng không khí. Tải nhiệt trên các phần tử này ít hơn, và điều này, cho phép chúng ta sử dụng các vật liệu nhẹ hơn. Kết quả là, tiết kiệm được khoảng 1,5 tấn trọng lượng. Khối lượng của phần nhiệt độ cao của tên lửa không vượt quá 6 phần trăm tổng khối lượng của phần bảo vệ nhiệt cho Korona. Để so sánh, tàu con thoi chiếm hơn 20%."
Hình dạng thon gọn, bóng bẩy của tên lửa tái sử dụng là kết quả của rất nhiều lần thử và sai. Theo các nhà phát triển, trong khi làm dự án, họ đã xem xét và đánh giá hàng trăm phương án khác nhau. Các nhà phát triển cho biết: “Chúng tôi quyết định loại bỏ hoàn toàn đôi cánh, giống như của Tàu con thoi hoặc trên tàu vũ trụ Buran,” các nhà phát triển cho biết. - Nói chung, khi ở các tầng trên của khí quyển, các cánh chỉ gây trở ngại cho tàu vũ trụ. Những con tàu vũ trụ như vậy đi vào bầu khí quyển với tốc độ siêu âm không tốt hơn một chiếc "sắt", và chỉ ở tốc độ siêu âm, chúng mới chuyển sang bay ngang, sau đó chúng hoàn toàn có thể dựa vào khí động học của cánh."
Hình dạng không đối xứng trục hình nón của tên lửa không chỉ cho phép tạo điều kiện bảo vệ nhiệt mà còn cung cấp cho nó chất lượng khí động học tốt khi di chuyển ở tốc độ bay cao. Khi đã ở trên các tầng cao của khí quyển, "Korona" nhận được một lực nâng, cho phép tên lửa không chỉ giảm tốc độ mà còn thực hiện các động tác cơ động. Điều này cho phép phương tiện phóng có thể cơ động ở độ cao lớn khi bay đến bãi hạ cánh; trong tương lai, nó chỉ phải hoàn thành quá trình phanh, điều chỉnh hướng đi, quay về phía sau bằng cách sử dụng động cơ cơ động nhỏ và hạ cánh trên mặt đất.
Vấn đề với dự án là Korona vẫn đang được phát triển trong điều kiện không đủ kinh phí hoặc hoàn toàn vắng bóng. Hiện tại, Makeyev SRC mới chỉ hoàn thành một thiết kế nháp về chủ đề này. Theo dữ liệu được công bố trong Bài đọc học thuật XLII về Du hành vũ trụ năm 2018, các nghiên cứu khả thi đã được thực hiện đối với dự án chế tạo phương tiện phóng Korona và một lịch trình phát triển tên lửa hiệu quả đã được vạch ra. Các điều kiện cần thiết để tạo ra một phương tiện phóng mới đã được nghiên cứu và phân tích triển vọng và kết quả của cả quá trình phát triển và hoạt động trong tương lai của tên lửa mới.
Sau sự kiện bùng nổ thông tin về dự án Crown trong năm 2017 và 2018, sự im lặng lại tiếp tục diễn ra … Triển vọng của dự án và việc triển khai dự án vẫn chưa rõ ràng. Trong khi đó, SpaceX sẽ giới thiệu một mẫu thử nghiệm của Tên lửa Big Falcon (BFR) mới có thể tái sử dụng vào mùa hè năm 2019. Có thể mất nhiều năm kể từ khi tạo ra một mẫu thử nghiệm thành một tên lửa chính thức, điều này sẽ khẳng định độ tin cậy và hiệu suất của nó, nhưng bây giờ chúng ta có thể khẳng định: Elon Musk và công ty của ông đang tạo ra những thứ có thể nhìn thấy và chạm vào bằng tay. Đồng thời, Roskosmos, theo Thủ tướng Dmitry Medvedev, nên kết thúc dự kiến và trò chuyện về nơi chúng ta sẽ bay trong tương lai. Bạn cần nói ít hơn và làm nhiều hơn.
