Creo que todos los que hablan de cohetes reutilizables se inspiran principalmente en los aviones. Estas máquinas aladas vuelan activamente, son muy fiables y tienen un recurso colosal. Y a diferencia de los cohetes, puede comprar fácilmente un billete y volar a donde quiera que vaya. Por lo tanto, muchos escritores de ciencia ficción, directores de fotografía e ingenieros de diseño dibujan un avión o un cohete con un ala como un cohete reutilizable, donde al menos la primera etapa aterriza en el cosmódromo a lo largo del avión. Este es un enfoque clásico, donde todos intentan aprovechar al máximo lo que se ha logrado. Intentemos averiguar qué necesitan los misiles para regresar sanos y salvos.
Entrando en la atmósfera
Para que el vehículo de lanzamiento ponga el satélite en órbita, se debe indicar al satélite (y la última etapa) una velocidad en la región de 7800 m / s. Para entender esto, se necesita el orden de los números, no los valores exactos. Al mismo tiempo, la primera etapa, dependiendo de la configuración del vehículo de lanzamiento, desarrolla una velocidad en la región de 1600-3800 m / s. Entonces, al regresar a la Tierra, la unidad de cohete ingresa a la atmósfera con casi la misma velocidad con la que se separó. Se puede decir que estas son nuestras condiciones iniciales. Al entrar en la atmósfera, la unidad del cohete experimenta resistencia atmosférica, lo que provoca estrés mecánico y calentamiento. Las cargas mecánicas (cabezal de alta velocidad) son proporcionales al cuadrado de la velocidad y el calentamiento (flujo de calor) al cubo de la velocidad. En este caso, tanto el cabezal de velocidad como el flujo de calor son directamente proporcionales a la densidad de la atmósfera. Estas son las relaciones más importantesque determinan la forma de entrar a la atmósfera y volar en ella. Y si se usa un enfoque simple para compensar las cargas crecientes, un aumento en la masa de la estructura, entonces los flujos de calor crecientes no se pueden compensar de esta manera. Los flujos de calor que una estructura puede percibir por unidad de tiempo están determinados únicamente por el material utilizado de la estructura o su superficie exterior. A altas velocidades, los materiales de construcción convencionales simplemente se derriten. Pero encontraron una salida a esta situación. Por ejemplo, la protección térmica por ablación se utiliza activamente para las naves espaciales de descenso y reentrada.están determinados únicamente por el material utilizado de la estructura o su superficie externa. A altas velocidades, los materiales de construcción convencionales simplemente se derriten. Pero encontraron una salida a esta situación. Por ejemplo, la protección térmica por ablación se utiliza activamente para las naves espaciales de descenso y reentrada.están determinados únicamente por el material utilizado de la estructura o su superficie externa. A altas velocidades, los materiales de construcción convencionales simplemente se derriten. Pero encontraron una salida a esta situación. Por ejemplo, la protección térmica ablativa se utiliza activamente para las naves espaciales de descenso y reentrada.
El vehículo de descenso de la nave espacial tipo Soyuz después de aterrizar el
módulo de comando Apollo después del aterrizaje
Las imágenes muestran que el escudo térmico se quema y se lleva. Estas son sus principales propiedades: acumular energía y dejarse llevar. Es muy similar al agua que, debido a la ebullición y la evaporación, mantiene una temperatura estrictamente definida. Pero esta no es una tecnología reutilizable en absoluto. Estos materiales de protección contra el calor son muy caros, pesan mucho y deben restaurarse o cambiarse después de cada vuelo. VA TKS incluso elaboró la tecnología de restauración de la protección térmica ablativa después de su "evaporación". Pero esta tecnología resultó ser bastante cara y por varias razones no fueron más allá.
En los Estados Unidos, para el transbordador espacial, y más tarde en la URSS, para la nave espacial Buran, se desarrollaron materiales de protección térmica de carbono-carbono y silicio, que se suponía que debían garantizar un bajo peso y una reutilización.
Recubrimiento de protección contra el calor de la nave espacial "Buran"
Esto fue posible con el uso de una forma de planeador para vehículos. Debido a la gran superficie por unidad de peso, el vehículo extinguió parte de la velocidad en las capas enrarecidas de la atmósfera y entró en las capas densas a velocidades más bajas. Y aprovechando la calidad aerodinámica al entrar en la atmósfera, el dispositivo convirtió su velocidad vertical en velocidad horizontal y debido a esto fue reduciendo gradualmente su altura. Gracias a estos dos factores, fue posible reducir los flujos de calor por unidad de superficie, lo que, junto con la radiación de calor hacia el espacio circundante, hizo posible el uso de estos materiales. Además de esto, el descenso en planeo permitió reducir las cargas mecánicas y sobrecargas experimentadas por el planeador. En los laboratorios, las baldosas de carbono-carbono y de cuarzo han mostrado excelentes resultados.Contenían eficazmente los flujos de calor requeridos e irradiaban calor activamente. Debido al bajo coeficiente de conductividad térmica, la estructura de la nave espacial no se calentó por encima de los límites permitidos y conservó sus propiedades de resistencia. Pero en realidad, los materiales utilizados eran muy exigentes para cumplir con los procesos tecnológicos de su fabricación y aplicación (encolado). El problema más importante fue la fragilidad de los materiales, que de ninguna manera se evaluó en modelos matemáticos durante el diseño. Por ejemplo, las baldosas de cuarzo se empujaban fácilmente con un dedo. Las baldosas de carbono-carbono se astillaban fácilmente en los bordes. Además, al volar en capas densas de la atmósfera, las baldosas de cuarzo recibieron un efecto erosivo significativo de las partículas de polvo, lo que requirió una restauración posterior.Algunas de las tejas simplemente se cayeron durante la operación. Todo esto ha llevado al hecho de que este recubrimiento de protección térmica en funcionamiento se ha vuelto mucho más caro que los tipos ablativos de pantallas térmicas. Bueno, probablemente todos recuerden el desastre del transbordador espacial Columbia, que ocurrió el 1 de febrero de 2003 debido a daños en la protección térmica. Después del primer (o último) vuelo, la nave espacial "Buran" también sufrió un grave desgaste de la capa protectora contra el calor, que afortunadamente no fue tan crítico.
¿Cómo, entonces, solucionar el problema del calentamiento térmico? Y aquí nuevamente es necesario recordar que los flujos de calor son proporcionales a la velocidad del cubo. Como escribí anteriormente, la velocidad de la primera etapa puede ser tres veces menor que la de la última etapa. Esto significa que el bloque de cohetes del acelerador de primera etapa al entrar en la atmósfera puede calentarse 27 veces menos intensamente que el bloque que desciende a velocidad orbital. Es decir, necesitamos reducir la velocidad de un objeto que ingresa a la atmósfera. Desafortunadamente, debido a la forma aerodinámica o los efectos aerodinámicos, no será posible reducir la velocidad de manera tan radical. Es necesario reducir la velocidad o simplemente no ganar tanta velocidad como lo hace la primera etapa. Los cálculos han demostrado que si el vehículo deslizante desarrolla una velocidad de hasta 2500 m / s, entonces no experimenta ese calentamiento significativo,que requiere el uso de materiales especiales de protección contra el calor. En este caso, se deben utilizar aleaciones de titanio en los carenados del ala, en los bordes y en todos los lugares sometidos a estrés por calor.
El posterior soplado de los elaborados dispositivos recomendó reducir aún más la velocidad o elegir una forma aerodinámica que reduzca el estrés térmico de bordes, carenados y lugares similares. Para los bloques de cohetes clásicos, el valor de esta velocidad es aún menor, ya que se sumerge muy intensamente en las densas capas de la atmósfera. Según los resultados de los cálculos y los vuelos reales, resultó que la unidad de cohete no requiere protección especial a velocidades de entrada en la región de 1200 m / s. A velocidades en la región de 1400 m / s, se requiere la aplicación local de materiales refractarios especiales o protección térmica. Aquí vemos que la reducción requerida en la velocidad de las unidades de cohetes clásicos es muy significativa y es extremadamente ineficiente separar las unidades de cohetes a tal velocidad de vuelo. Entonces, ¿cuál es la salida? Y muy simple: frenar los motores antes de entrar en la atmósfera,para proporcionar una velocidad de entrada en la región de 1200-1400 m / s. Toda la cuestión está en la diferencia entre las velocidades de separación y entrada a la atmósfera. La necesidad de combustible para tal desaceleración se puede estimar con bastante precisión utilizando la fórmula de Tsiolkovsky, agregando pérdidas gravitacionales para el tiempo de desaceleración.
Aterrizaje suave
Aquí hemos revisado brevemente el problema del reingreso a la atmósfera para unidades de cohetes reutilizables. Y ahora, brevemente sobre los temas de un aterrizaje suave, que mantendrá la estructura, que no está sobrecalentada, intacta y segura. Comencemos con la estructura alada nuevamente. Probablemente no sea necesario explicar mucho. Todos deben haber visto aterrizar los aviones. Aquí hay un esquema similar, pero con una salvedad. Dado que estos vehículos no son aviones, su velocidad de aterrizaje horizontal es bastante alta, lo que requiere pistas de aterrizaje largas y de alta calidad. En un carril normal, como en Sheremetyevo, es probable que este dispositivo se bloquee. Creo que arreglamos los vehículos alados.
Pero, ¿qué pasa con los bloques de cohetes clásicos? Es necesario asegurarse de que la estructura no se dañe durante el aterrizaje. Puede bajar suavemente la unidad del cohete al agua, ya sea con paracaídas o con el freno motor.
Potenciador flotante de primera etapa Falcon-9
Esta opción de aterrizar en el agua parece ser buena para todos. Pero hay un par de problemas y tareas prácticamente irresolubles. No todos los vehículos de lanzamiento tienen rutas de vuelo en las áreas donde los bloques caen sobre el agua. Por ejemplo, cuando se lanza desde el cosmódromo de Baikonur, tal cosa no se puede hacer en absoluto, desde el cosmódromo de Vostochny es extremadamente problemático. Cuando entran en contacto con el agua de mar, muchas aleaciones y materiales comienzan a descomponerse con bastante rapidez. Por sí sola, el agua puede alterar el rendimiento de muchos sistemas mecánicos y electrónicos. Existe un problema de secado en bloque y limpieza de depósitos de sal. En contacto con el agua, los elementos estructurales calientes son susceptibles de agrietarse y producir un efecto de endurecimiento excesivo. Y al final, lanzar añade cargas fuera de diseño. Teniendo en cuenta todos estos factores, los especialistas no suelen considerar el aterrizaje en el agua. Y si se considera,rápidamente abandonan esta idea. Queda por aterrizar la unidad de cohetes en tierra o en una plataforma en alta mar.
La plataforma agrega problemas con el cabeceo y la deriva. Pero los sistemas de estabilización efectivos hacen que la plataforma para la unidad de misiles sea prácticamente tierra seca. Aunque el desarrollo de tales sistemas de estabilización es una tarea adicional, pero bastante solucionable.
Plataforma de aterrizaje costa afuera SpaceX
A continuación, debe decidir el método de aterrizaje. Por lo general, lo primero que se ofrece es un paracaídas. Es familiar para todos, algo comprensible y familiar. El paracaídas permite, con sus áreas y masas aceptables, reducir la velocidad de descenso a unos 8-12 m / s. Pero no podrá realizar un aterrizaje suave. Esto requiere motores de freno y amortiguadores adicionales. Solo se pueden utilizar amortiguadores. Si queremos aterrizar una unidad de cohete con una sobrecarga de 2g solo con la ayuda de amortiguadores y a una velocidad de 8 m / s, entonces lo ideal es una carrera del amortiguador de 1,63 metros. El recorrido de choque requerido es proporcional al cuadrado de la tasa de caída y es inversamente proporcional a la sobrecarga. Por cierto, la fórmula para el cálculo se deriva fácilmente de la ley de conservación de la energía. Solo es necesario equiparar la energía cinética con el potencial. Pero sigamos con los paracaídas.El paracaídas tiene una propiedad defectuosa.
Un paracaídas clásico con dosel no proporcionará un aterrizaje preciso. La plataforma con ella es inútil, y en el suelo, el cohete aterrizará en un montículo o en un bosque. Para mantener la integridad de la unidad de misiles, debe aterrizar uniformemente en todos los soportes, ya sea verticalmente o de lado. Después de eso, no debe rodar, caer ni rodar. Esto no funcionará en un sitio sin preparación ni nivelado. Muchos recuerdan cómo la imperfección de los algoritmos de estabilización de barcazas de SpaceX condujo a la posterior caída del cohete. Será igual en una superficie curva. Incluso cuando se coloca de lado, la unidad de misiles en una plataforma curva simplemente se romperá, como ocurrió durante las pruebas de las unidades laterales del vehículo de lanzamiento Energia.
Esquema del regreso de la unidad lateral del LV "Energia" (http://www.buran.ru)
Las pruebas de caída de bloques mostraron que durante el aterrizaje recibieron daños que no implicaron su uso posterior. Ni siquiera llegó a probar el resto de etapas de vuelo.
Sabiendo esto, los desarrolladores comenzaron a ofrecer activamente paracaídas de alas guiadas, que teóricamente le permiten bajar la carga a la ubicación exacta. Pero tales desarrollos chocan con la imperfección de los algoritmos de control bajo condiciones ambientales rápidamente cambiantes (viento, ráfagas, etc.). Ahora SpaceXestán probando activamente esta tecnología para bajar las aletas del carenado. Además de un paracaídas guiado, utilizan un barco con una red enorme, que se mueve constantemente para intentar atrapar la hoja. Hasta hace poco, los resultados no eran particularmente positivos, pero tampoco desesperados. Y más recientemente, los faldones del carenado están cada vez más atrapados en la red.
Nave SpaceX para atrapar los flaps del carenado
Para resolver el problema del aterrizaje suave de la unidad de cohete de paracaidismo, mis colegas, S.V. Antonenko y S.A. Belavsky, se propuso una camioneta en helicóptero de la unidad de cohetes paracaidistas.
Esquema de recogida en helicóptero de la unidad de cohetes.
La ventaja de este esquema es que no necesita pensar en un sitio preparado y no necesita gastar masa adicional en dispositivos de aterrizaje (amortiguadores). Además, el esquema para recoger objetos en paracaídas en el mundo está bien desarrollado y no plantea grandes preguntas. Si se requiere una recogida en el mar, se pueden utilizar plataformas marinas. La limitación de este esquema es la masa de la unidad de cohete y la capacidad de carga del helicóptero. Por lo tanto, el helicóptero Mi-26 más grande del mundo no podrá recoger más de 16 toneladas. Los misiles de la familia Angara tienen una unidad de cohetes que pesa en la región de 11 toneladas, mientras que la unidad de cohetes del vehículo de lanzamiento Falcon-9 ya pesa en la región de 23 toneladas.
Creo que hemos terminado con los paracaídas. ¿Cómo se puede hacer sin paracaídas? Para ello, se pueden utilizar motores que frenarán la unidad del cohete antes de aterrizar a velocidades del orden de 1-2 m / s. Es más difícil aterrizar con más precisión, pero en el futuro creo que podemos hablar de 0,5 m / sy menos. Las últimas migas deben amortiguarse con pequeños amortiguadores. Debe tenerse en cuenta que este esquema requiere aterrizar en un sitio preparado y la orientación correcta de la unidad del cohete al emitir un impulso de frenado. Es decir, necesitamos controles y estabilización. En esta etapa del desarrollo de la tecnología, tales sistemas de control no representan ningún problema particular. Los algoritmos de control, guía y aterrizaje también son susceptibles de creación y desarrollo. Y los mandos en forma de motores a reacción a gas y timones aerodinámicos ya se están convirtiendo en clásicos.Los amortiguadores de aterrizaje también están bastante bien desarrollados hoy y funcionaron en al menos dos versiones, desdeSpaceX y Blue Origin . Además, con este método de aterrizaje, existen tareas de amortiguación de los componentes horizontales de velocidad y velocidades angulares. Pero todo esto también tiene solución e incluso funcionó bien.
Aterrizaje de bloques laterales Falcon Heavy LV
Vemos que tal esquema de aterrizaje (aterrizaje) ya está bien desarrollado y no oculta problemas irresolubles.
No en cualquier lugar
Probablemente se trate de métodos de aterrizaje. Pero, ¿cómo te encuentras en un área determinada o en un sitio preparado? Los aviones tipo planeador con ala, debido a la calidad aerodinámica, como escribí anteriormente, convierten bastante bien la velocidad vertical en horizontal. Por lo tanto, a menudo llegan solos a la pista de aterrizaje. Y si el rango de vuelo no es suficiente, se utilizan motores de aviones a reacción adicionales.
Los bloques de cohetes de los esquemas clásicos tienen pocas oportunidades de ajustar el rango mediante la instalación de timones aerodinámicos. También pueden realizar ajustes de rango cuando se utilizan impulsos de frenado para reducir los flujos de calor. Pero a menudo estos rangos pueden no ser suficientes. Echemos un vistazo al esquema más atractivo desde el punto de vista logístico, cuando las unidades de cohetes regresan al cosmódromo y no necesitan ser transportadas adicionalmente a distancias considerables. Entonces, para implementar el esquema con un regreso al punto de partida, después de la separación de la unidad del cohete, se utiliza una activación adicional del motor del cohete. En este caso, el motor está orientado para reducir simultáneamente la velocidad de vuelo y establecer la velocidad de retorno al lugar de aterrizaje.
La principal ventaja de tal impulso correctivo es que después de él, la unidad del cohete hace el ajuste de rango principal mientras se mueve prácticamente en un espacio sin aire. Tal impulso puede usarse no solo para regresar al cosmódromo, sino también para aterrizar en casi cualquier sitio.
Esquema de vuelo del Falcon-9
Para las unidades cohete con paracaídas, también es posible utilizar combinaciones de impulsos correctivos y de frenado de motores cohete, entre otras cosas, así como el control de timones aerodinámicos. Pero hay que tener en cuenta que el paracaídas seguirá ganando un error aleatorio hasta varios kilómetros durante su funcionamiento. Escribí sobre un ala de paracaídas controlada.
Conclusión
Así que revisé todas las etapas del vuelo de las unidades de cohetes reutilizables y traté de explicar de manera accesible qué y por qué debería hacerse en estas etapas para que la unidad de cohetes reutilizable regresara sana y salva. En realidad, por supuesto, hay varios órdenes de magnitud más preguntas y matices, pero las preguntas que he considerado son las principales y decisivas para el futuro esquema de una unidad cohete reutilizable. Resumamos los esquemas para la implementación de bloques cohete reutilizables. Los principales en mi opinión son:
- Bloque alado con aterrizaje horizontal de aviones.
- Aterrizaje dinámico de cohetes.
- Recogida en helicóptero de unidades de cohetes paracaidistas.
Estos son los esquemas más implementados y desarrollados, pero puede combinar su propio esquema según sus preferencias personales. Pero después de eso, el nuevo esquema debe calcularse cuidadosamente para estar seguro de que es realizable y no se encontrará con problemas sin solución. Haré una reserva de inmediato de que cada uno de los esquemas tiene sus propios matices y límites de realizabilidad. Cada uno tiene sus propias pérdidas en la masa de carga útil, pérdidas en el costo y la complejidad de la resolución de problemas. Pero hablaremos de eso en otro momento.