เป็นที่เชื่อกันว่าเทคโนโลยีจะค่อยๆ พัฒนาไปทีละน้อย จากง่ายไปซับซ้อน จากมีดหินถึงเหล็ก - และหลังจากนั้นก็ถึงเครื่องกัดที่ตั้งโปรแกรมไว้เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ชะตากรรมของจรวดอวกาศกลับกลายเป็นว่าไม่ตรงไปตรงมา การสร้างขีปนาวุธขั้นตอนเดียวที่เรียบง่ายและเชื่อถือได้มาเป็นเวลานานยังคงไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับนักออกแบบ การแก้ปัญหาเป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุและวิศวกรเครื่องยนต์ไม่สามารถเสนอได้ จนถึงขณะนี้ ยานยิงจรวดยังคงเป็นแบบหลายขั้นตอนและแบบใช้แล้วทิ้ง: ระบบที่ซับซ้อนและมีราคาแพงอย่างเหลือเชื่อถูกใช้เป็นเวลาสองสามนาที หลังจากนั้นจึงทิ้งไป
“ลองนึกภาพว่าก่อนแต่ละเที่ยวบินคุณจะประกอบเครื่องบินใหม่: คุณจะเชื่อมต่อลำตัวกับปีก วางสายไฟ ติดตั้งเครื่องยนต์ และหลังจากลงจอด คุณจะส่งไปยังหลุมฝังกลบ … คุณจะไม่บินไกลเหมือน นั้น” ผู้พัฒนาศูนย์ขีปนาวุธแห่งรัฐบอกกับเรา มาเควา. “แต่นั่นคือสิ่งที่เราทำทุกครั้งที่ส่งสินค้าขึ้นสู่วงโคจร แน่นอนว่าในอุดมคติแล้วทุกคนต้องการมี "เครื่องจักร" แบบขั้นตอนเดียวที่เชื่อถือได้ซึ่งไม่จำเป็นต้องประกอบ แต่มาถึงคอสโมโดรม เติมเชื้อเพลิงและเปิดตัว แล้วก็กลับมาเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง - และอีกครั้ง "…
ครึ่งทาง
โดยทั่วไปแล้ว จรวดพยายามทำให้สำเร็จด้วยขั้นตอนเดียวจากโครงการแรกสุด ในภาพร่างเริ่มต้นของ Tsiolkovsky โครงสร้างดังกล่าวปรากฏขึ้น เขาละทิ้งแนวคิดนี้ในภายหลัง โดยตระหนักว่าเทคโนโลยีของต้นศตวรรษที่ 20 ไม่อนุญาตให้ใช้วิธีแก้ปัญหาที่เรียบง่ายและสง่างามนี้ ความสนใจในเรือบรรทุกเครื่องบินแบบขั้นตอนเดียวเกิดขึ้นอีกครั้งในทศวรรษ 1960 และโครงการดังกล่าวกำลังดำเนินการอยู่ทั้งสองด้านของมหาสมุทร ในช่วงทศวรรษ 1970 สหรัฐอเมริกากำลังทำงานเกี่ยวกับจรวดแบบขั้นเดียว SASSTO, Phoenix และโซลูชั่นต่างๆ บนพื้นฐานของ S-IVB ซึ่งเป็นขั้นตอนที่สามของยานยิงดาวเสาร์ V ซึ่งส่งมนุษย์อวกาศไปยังดวงจันทร์
“ตัวเลือกดังกล่าวจะไม่แตกต่างกันในด้านความสามารถในการบรรทุก เครื่องยนต์ไม่ดีพอสำหรับสิ่งนี้ แต่ก็ยังเป็นขั้นตอนเดียว ค่อนข้างสามารถบินสู่วงโคจรได้” วิศวกรกล่าวต่อ "แน่นอน ในเชิงเศรษฐกิจ มันจะไม่ยุติธรรมเลย" คอมโพสิตและเทคโนโลยีสำหรับการทำงานกับพวกมันปรากฏขึ้นในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาเท่านั้น ซึ่งทำให้สายการบินขั้นตอนเดียวและยิ่งไปกว่านั้น นำกลับมาใช้ใหม่ได้ ค่าใช้จ่ายของจรวดที่ "เน้นวิทยาศาสตร์" ดังกล่าวจะสูงกว่าการออกแบบแบบดั้งเดิม แต่จะ "กระจาย" ในการเปิดตัวหลายครั้ง เพื่อให้ราคาเปิดตัวต่ำกว่าระดับปกติมาก
สื่อนำกลับมาใช้ใหม่ได้ซึ่งเป็นเป้าหมายหลักของนักพัฒนาในปัจจุบัน กระสวยอวกาศและระบบ Energia-Buran บางส่วนนำมาใช้ใหม่ได้ การใช้ขั้นตอนแรกซ้ำหลายครั้งกำลังได้รับการทดสอบสำหรับจรวด SpaceX Falcon 9 SpaceX ได้ทำการลงจอดที่ประสบความสำเร็จหลายครั้งแล้วและในปลายเดือนมีนาคมพวกเขาจะพยายามเปิดตัวหนึ่งในขั้นตอนที่บินสู่อวกาศอีกครั้ง “ในความเห็นของเรา วิธีการนี้สามารถทำลายชื่อเสียงของการสร้างสื่อที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างแท้จริง” สำนักออกแบบ Makeev กล่าว "คุณยังคงต้องจัดเรียงจรวดดังกล่าวหลังจากแต่ละเที่ยวบิน ติดตั้งการเชื่อมต่อและส่วนประกอบที่ใช้แล้วทิ้งใหม่ … และเรากลับมาที่จุดที่เราเริ่มต้น"
สื่อที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ทั้งหมดยังคงอยู่ในรูปแบบของโครงการเท่านั้น ยกเว้น New Shepard ของ Blue Origin บริษัทอเมริกันจนถึงตอนนี้ จรวดที่มีแคปซูลบรรจุคนได้รับการออกแบบมาสำหรับเที่ยวบินย่อยของนักท่องเที่ยวในอวกาศเท่านั้น แต่วิธีแก้ปัญหาส่วนใหญ่ที่พบในกรณีนี้สามารถปรับขนาดได้อย่างง่ายดายสำหรับผู้ให้บริการวงโคจรที่ร้ายแรงกว่า ตัวแทนของ บริษัท ไม่ได้ปิดบังแผนการที่จะสร้างตัวเลือกดังกล่าวซึ่งเครื่องยนต์อันทรงพลัง BE-3 และ BE-4 กำลังได้รับการพัฒนาแล้ว "ในทุกเที่ยวบินย่อย เรากำลังเข้าใกล้วงโคจร" Blue Origin รับรอง แต่ผู้ให้บริการที่มีแนวโน้มว่า New Glenn จะไม่สามารถใช้ซ้ำได้ทั้งหมด: เฉพาะบล็อกแรกที่สร้างขึ้นบนพื้นฐานของการออกแบบ New Shepard ที่ผ่านการทดสอบแล้วเท่านั้นจึงจะสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้
ความต้านทานของวัสดุ
วัสดุ CFRP ที่จำเป็นสำหรับจรวดแบบใช้ซ้ำและแบบขั้นตอนเดียวได้ถูกนำมาใช้ในเทคโนโลยีการบินและอวกาศมาตั้งแต่ปี 1990 ในปีเดียวกันนั้น วิศวกรของ McDonnell Douglas ได้เริ่มดำเนินการโครงการ Delta Clipper (DC-X) อย่างรวดเร็ว และวันนี้พวกเขาสามารถอวดอ้างตัวขนส่งคาร์บอนไฟเบอร์แบบสำเร็จรูปและบินได้ น่าเสียดายที่ภายใต้แรงกดดันจาก Lockheed Martin การทำงานกับ DC-X ถูกยกเลิก เทคโนโลยีถูกถ่ายโอนไปยัง NASA ซึ่งพวกเขาพยายามที่จะใช้สำหรับโครงการ VentureStar ที่ไม่ประสบความสำเร็จ หลังจากนั้นวิศวกรหลายคนที่เกี่ยวข้องในหัวข้อนี้ก็ไปทำงานที่ Blue Origin และบริษัทเองก็ถูกโบอิ้งเข้าครอบครอง
ในปี 1990 เดียวกัน SRC Makeev ของรัสเซียเริ่มสนใจงานนี้ ตั้งแต่นั้นมา โครงการ KORONA ("จรวดอวกาศ เรือบรรทุกเครื่องบินแบบขั้นเดียวของ [อวกาศ]") ก็มีวิวัฒนาการที่เห็นได้ชัดเจน และเวอร์ชันกลางแสดงให้เห็นว่าการออกแบบและเลย์เอาต์นั้นเรียบง่ายและสมบูรณ์แบบมากขึ้นเรื่อยๆ ได้อย่างไร นักพัฒนาค่อยๆ ละทิ้งองค์ประกอบที่ซับซ้อน เช่น ปีกหรือถังเชื้อเพลิงภายนอก และเข้าใจว่าวัสดุหลักของตัวเครื่องควรเป็นคาร์บอนไฟเบอร์ เมื่อรวมกับรูปลักษณ์แล้วทั้งน้ำหนักและความสามารถในการบรรทุกก็เปลี่ยนไป “ด้วยการใช้วัสดุที่ทันสมัยที่สุด เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างจรวดแบบขั้นตอนเดียวที่มีน้ำหนักน้อยกว่า 60-70 ตัน ในขณะที่น้ำหนักบรรทุกของมันจะเล็กมาก” หนึ่งในนักพัฒนากล่าว - แต่เมื่อมวลเริ่มต้นเพิ่มขึ้น โครงสร้าง (จนถึงขีดจำกัดที่แน่นอน) ก็มีส่วนแบ่งที่เล็กลงเรื่อยๆ และมันก็มีกำไรมากขึ้นเรื่อยๆ ที่จะใช้มัน สำหรับจรวดโคจร ค่าที่เหมาะสมนี้อยู่ที่ประมาณ 160-170 ตัน เริ่มต้นจากมาตราส่วนนี้สามารถพิสูจน์การใช้งานได้แล้ว"
ในโครงการ KORONA เวอร์ชันล่าสุด มวลการเปิดตัวจะสูงขึ้นและเข้าใกล้ 300 ตัน จรวดแบบขั้นตอนเดียวขนาดใหญ่ดังกล่าวต้องการการใช้เครื่องยนต์ไอพ่นที่ขับเคลื่อนด้วยของเหลวที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งทำงานกับไฮโดรเจนและออกซิเจน เครื่องยนต์จรวดที่ขับเคลื่อนด้วยของเหลวนั้นต่างจากเครื่องยนต์ในระยะที่แยกจากกัน จะต้องสามารถทำงานในสภาวะที่แตกต่างกันอย่างมากและในระดับความสูงที่แตกต่างกัน รวมถึงการขึ้นและบินนอกชั้นบรรยากาศ “เครื่องยนต์ขับเคลื่อนด้วยของเหลวแบบธรรมดาที่มีหัวฉีด Laval นั้นมีผลเฉพาะที่ระดับความสูงบางช่วงเท่านั้น” นักออกแบบของ Makeevka อธิบาย “ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องใช้เครื่องยนต์จรวดอากาศแบบลิ่ม” เจ็ตแก๊สในเครื่องยนต์ดังกล่าวจะปรับตัวเองให้เข้ากับแรงดัน "ลงน้ำ" และคงประสิทธิภาพไว้ทั้งที่พื้นผิวและในสตราโตสเฟียร์สูง
จนถึงขณะนี้ยังไม่มีกลไกการทำงานประเภทนี้ในโลก แม้ว่าจะได้รับและกำลังดำเนินการอยู่ทั้งในประเทศของเราและในสหรัฐอเมริกา ในทศวรรษที่ 1960 วิศวกรของ Rocketdyne ได้ทดสอบเครื่องยนต์ดังกล่าวบนขาตั้ง แต่ไม่ได้มาติดตั้งบนขีปนาวุธ CROWN ควรติดตั้งรุ่นโมดูลาร์ ซึ่งหัวฉีดลิ่มอากาศเป็นองค์ประกอบเดียวที่ยังไม่มีต้นแบบและยังไม่ได้ทำการทดสอบ นอกจากนี้ยังมีเทคโนโลยีทั้งหมดสำหรับการผลิตชิ้นส่วนคอมโพสิตในรัสเซีย - พวกเขาได้รับการพัฒนาและใช้งานอย่างประสบความสำเร็จเช่นที่สถาบันวัสดุการบิน All-Russian (VIAM) และที่ OJSC "Kompozit"
ทรงแนวตั้ง
เมื่อบินในชั้นบรรยากาศ โครงสร้างพลาสติกเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ของ CORONA จะถูกหุ้มด้วยกระเบื้องป้องกันความร้อนที่พัฒนาโดย VIAM สำหรับชาว Burans และได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัดตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา“ภาระความร้อนหลักบนจรวดของเรามุ่งเน้นไปที่ "จมูก" ซึ่งใช้องค์ประกอบป้องกันความร้อนที่อุณหภูมิสูง - นักออกแบบอธิบาย - ในกรณีนี้ ด้านที่ขยายออกของจรวดจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าและทำมุมแหลมกับการไหลของอากาศ ภาระความร้อนน้อยกว่าซึ่งช่วยให้สามารถใช้วัสดุที่เบากว่าได้ เป็นผลให้เราประหยัดได้มากกว่า 1.5 ตัน มวลของชิ้นส่วนที่มีอุณหภูมิสูงไม่เกิน 6% ของมวลรวมของการป้องกันความร้อน สำหรับการเปรียบเทียบ คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 20% ของรถรับส่ง"
ดีไซน์เรียวเพรียวของสื่อเป็นผลมาจากการลองผิดลองถูกนับครั้งไม่ถ้วน ตามที่นักพัฒนากล่าวว่าหากคุณใช้เฉพาะลักษณะสำคัญของผู้ให้บริการแบบขั้นตอนเดียวที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ คุณจะต้องพิจารณาชุดค่าผสมประมาณ 16,000 รายการ นักออกแบบหลายร้อยคนชื่นชมพวกเขาขณะทำงานในโครงการ “เราตัดสินใจละทิ้งปีก เช่น บน Buran หรือกระสวยอวกาศ” พวกเขากล่าว - โดยทั่วไปแล้วในบรรยากาศชั้นบนพวกมันเข้าไปยุ่งกับยานอวกาศเท่านั้น เรือดังกล่าวเข้าสู่ชั้นบรรยากาศด้วยความเร็วเหนือเสียงไม่ได้ดีไปกว่า "เหล็ก" และมีเพียงความเร็วเหนือเสียงเท่านั้นที่จะเปลี่ยนเป็นการบินในแนวนอนและสามารถพึ่งพาอากาศพลศาสตร์ของปีกได้อย่างเหมาะสม"
รูปทรงกรวยสมมาตรตามแนวแกนไม่เพียงแต่ช่วยป้องกันความร้อนได้ง่ายขึ้นเท่านั้น แต่ยังมีแอโรไดนามิกที่ดีเมื่อขับด้วยความเร็วสูงมาก จรวดได้รับการยกขึ้นแล้วในชั้นบนของชั้นบรรยากาศซึ่งทำให้ไม่เพียงเบรกที่นี่ แต่ยังเพื่อหลบหลีก ในทางกลับกัน วิธีนี้ทำให้สามารถทำการซ้อมรบที่จำเป็นที่ระดับความสูงได้ มุ่งหน้าไปยังจุดลงจอด และในเที่ยวบินในอนาคต เหลือเพียงการเบรกให้เสร็จ แก้ไขเส้นทาง และเลี้ยวท้ายรถโดยใช้เครื่องยนต์ที่เคลื่อนตัวที่อ่อน
ระลึกถึงทั้ง Falcon 9 และ New Shepard: วันนี้ไม่มีสิ่งใดที่เป็นไปไม่ได้หรือผิดปกติแม้แต่น้อยในการลงจอดในแนวตั้ง ในเวลาเดียวกัน มันทำให้สามารถผ่านไปได้ด้วยแรงที่น้อยลงอย่างเห็นได้ชัดในระหว่างการก่อสร้างและการทำงานของรันเวย์ - ทางวิ่งที่รถรับส่งและ Buran เดียวกันลงจอดต้องมีความยาวหลายกิโลเมตรเพื่อเบรกรถที่ ความเร็วหลายร้อยกิโลเมตรต่อชั่วโมง "โดยหลักการแล้ว CROWN สามารถถอดออกจากแท่นนอกชายฝั่งและลงจอดบนนั้นได้" หนึ่งในผู้เขียนโครงการกล่าวเสริม "ความแม่นยำในการลงจอดขั้นสุดท้ายจะอยู่ที่ประมาณ 10 ม. จรวดจะลดระดับลงบนโช้คอัพนิวแมติกที่หดได้” ที่เหลือก็แค่ทำการวินิจฉัย เติมเชื้อเพลิง วางน้ำหนักบรรทุกใหม่ - และคุณสามารถบินได้อีกครั้ง
KORONA ยังคงดำเนินการอยู่โดยไม่ได้รับเงินทุน ดังนั้นนักพัฒนาของ Makeev Design Bureau จึงสามารถดำเนินการได้จนถึงขั้นตอนสุดท้ายของการออกแบบร่างเท่านั้น “เราผ่านขั้นตอนนี้ไปเกือบทั้งหมดและเป็นอิสระโดยไม่ได้รับการสนับสนุนจากภายนอก เราได้ทำทุกอย่างที่สามารถทำได้แล้ว - นักออกแบบกล่าว - เรารู้ว่าควรผลิตอะไร ที่ไหน และเมื่อไหร่ ตอนนี้เราต้องก้าวไปสู่การออกแบบที่ใช้งานได้จริง การผลิตและการพัฒนาของหน่วยหลัก และสิ่งนี้ต้องใช้เงิน ดังนั้นตอนนี้ทุกอย่างขึ้นอยู่กับพวกเขา"
เริ่มล่าช้า
จรวด CFRP คาดว่าจะมีการเปิดตัวในขนาดใหญ่เท่านั้น เมื่อได้รับการสนับสนุนที่จำเป็น นักออกแบบก็พร้อมที่จะเริ่มการทดสอบการบินในหกปี และในเจ็ดถึงแปดปี - เพื่อเริ่มการทดลองของขีปนาวุธลูกแรก พวกเขาประเมินว่าต้องใช้เงินน้อยกว่า 2 พันล้านดอลลาร์ซึ่งไม่มากนักตามมาตรฐานจรวด ในเวลาเดียวกัน ผลตอบแทนจากการลงทุนสามารถคาดหวังได้หลังจากใช้จรวดไปแล้วเจ็ดปี หากจำนวนการเปิดตัวเชิงพาณิชย์ยังคงอยู่ที่ระดับปัจจุบัน หรือแม้แต่ใน 1.5 ปี - หากเพิ่มขึ้นในอัตราที่คาดการณ์ไว้
ยิ่งไปกว่านั้น การมีอยู่ของเครื่องยนต์การหลบหลีก จุดนัดพบ และการเทียบท่าบนจรวดยังทำให้สามารถวางใจแผนการปล่อยจรวดหลายลำที่มีความซับซ้อนได้ เมื่อไม่ใช้เชื้อเพลิงในการลงจอด แต่สำหรับการบรรทุกให้เสร็จก็เป็นไปได้ที่จะทำให้มันมีมวลมากกว่า 11 ตันจากนั้น CROWN จะเทียบท่ากับ "เรือบรรทุกน้ำมัน" ตัวที่สอง ซึ่งจะเติมน้ำมันเชื้อเพลิงเพิ่มเติมที่จำเป็นสำหรับการส่งคืนในถัง แต่สิ่งที่สำคัญกว่านั้นมากคือการนำกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งเป็นครั้งแรกที่จะช่วยลดความจำเป็นในการรวบรวมสื่อก่อนการเปิดตัวแต่ละครั้ง และจะสูญเสียสื่อไปหลังจากการเปิดตัวแต่ละครั้ง มีเพียงวิธีการดังกล่าวเท่านั้นที่สามารถสร้างกระแสการสัญจรแบบสองทางที่เสถียรระหว่างโลกและวงโคจร และในขณะเดียวกันก็เป็นจุดเริ่มต้นของการแสวงหาผลประโยชน์จากอวกาศใกล้โลกในวงกว้างจริง
ในระหว่างนี้ CROWN ยังคงอยู่ในบริเวณขอบรก การทำงานกับ New Shepard ยังคงดำเนินต่อไป โครงการ RVT ของญี่ปุ่นที่คล้ายคลึงกันก็กำลังพัฒนาเช่นกัน นักพัฒนาชาวรัสเซียอาจไม่ได้รับการสนับสนุนเพียงพอสำหรับการพัฒนา หากคุณมีเงินเหลือสองพันล้าน นี่เป็นการลงทุนที่ดีกว่าเรือยอทช์ที่ใหญ่และหรูหราที่สุดในโลก
