Многоразовая пусковая система - Reusable launch system

Запуск космического корабля "Колумбия" в рамках первой миссии космического корабля "Шаттл"
Первая (частично) многоразовая космическая система запуска, Space Shuttle Columbia , при первом запуске в 1981 году ( STS-1 ).

Многоразовые система запуска является система запуска , что позволяет повторное использование некоторых или всех компонентов этапов. На сегодняшний день совершено несколько полетов полностью многоразовых суборбитальных систем и частично многоразовых орбитальных систем.

Первым многоразовым космическим аппаратом, вышедшим на орбиту, был Space Shuttle (в 1981 г.), который не смог достичь намеченной цели по снижению затрат на запуск до уровня ниже затрат на одноразовые стартовые системы .

В течение 21 века коммерческий интерес к многоразовым пусковым системам значительно вырос, поскольку в них есть несколько активных пусковых установок. Генеральный директор SpaceX Илон Маск сказал, что если кто-то сможет выяснить, как повторно использовать ракеты, такие как самолеты, то стоимость доступа в космос снизится в сто раз. Ракета SpaceX Falcon 9 имеет многоразовую первую ступень и капсулу (для полетов Dragon ) с одноразовой второй ступенью. SpaceX разрабатывает вторую ступень многоразового использования с конца 2010-х годов, которая, в случае успеха, может сделать возможной первую полностью многоразовую орбитальную ракету-носитель в 2020-х годах. Virgin Galactic летала на суборбитальных космических самолетах многоразового использования , а суборбитальная ракета Blue Origin New Shepard имеет восстанавливаемую ступень разгона и пассажирскую капсулу .

Конфигурации

Многоразовые пусковые системы могут быть как полностью, так и частично многоразовыми.

Полностью многоразовая ракета-носитель

По состоянию на август 2021 года полностью многоразовые орбитальные системы еще не построены и не введены в эксплуатацию. Полностью многоразовые ракеты-носители теоретически могут быть одноступенчатыми ракетами-носителями (SSTO), а также системами многоступенчатого вывода на орбиту .

Три компании в настоящее время находятся в разработке, чтобы создать многоразовые ракеты-носители к июлю 2021 года. Каждая из них работает над системой двухступенчатого вывода на орбиту . SpaceX с их космическим кораблем SpaceX Starship находится в разработке с 2016 года и намеревается провести первый испытательный полет части возможностей системы уже в 2021 году. Компания Relativity Space , разработка Terran R начнется к 2021 году. начальный орбитальный запуск - к 2024 году. Blue Origin вместе с Project Jarvis приступили к разработке к началу 2021 года, но не объявили дату тестирования и даже не обнародовали свои планы.

Ранее запланированные испытания возможности повторного использования на второй стадии SpaceX Falcon 9 были отложены в 2018 году.

Частично многоразовые пусковые системы

Частично многоразовые пусковые системы в виде многоступенчатых систем для вывода на орбиту до сих пор были единственными используемыми конфигурациями многократного использования.

Этапы старта

Существующие многоразовые пусковые системы используют ракетный вертикальный отрыв .

Помимо этого, целый ряд неракетных систем взлета был предложен и исследован с течением времени в качестве многоразовых систем для взлета, от воздушных шаров до космических лифтов . Существующими примерами являются системы, использующие отрыв с крылатыми горизонтальными реактивными двигателями. Такой самолет может запускать в воздух одноразовые ракеты и по этой причине может рассматриваться как частично многоразовая система, если самолет рассматривается как первая ступень ракеты-носителя. Примером такой конфигурации является орбитальный компьютер Pegasus . Для суборбитальных полета SpaceShipTwo использует для Liftoff самолета - носителя, его Mothership Scaled Composites White Knight Two .

Этапы орбитального ввода

До сих пор системы запуска достигают орбитального вывода с помощью многоступенчатых ракет , особенно со второй и третьей ступенями. Только космический челнок достиг частичного повторного использования ступени вывода на орбиту за счет использования двигателей своего орбитального корабля .

Многоразовый орбитальный аппарат

Системы запуска могут быть совмещены с многоразовыми орбитальными аппаратами. Космический челнок , SpaceShipTwo и под развитием индийской RLV-TD являются примерами для многоразового космического корабля (а космоплан ), а также в рамках своей системы запуска.

Более современно пусковая система Falcon 9 несла многоразовые транспортные средства, такие как Dragon 2 и X-37 , одновременно перевозя два многоразовых транспортных средства.

Современные многоразовые орбитальные аппараты включают X-37, Dream Chaser , Dragon 2, Indian RLV-TD и будущий European Space Rider (преемник IXV ).

Как и в случае с ракетами-носителями, все чисто космические корабли в первые десятилетия существования человечества в космических полетах проектировались как предметы одноразового использования. Это справедливо как для спутников и космических зондов, предназначенных для длительного пребывания в космосе, так и для любых объектов, предназначенных для возвращения на Землю, таких как космические капсулы, несущие человека, или контейнеры для возврата образцов миссий по сбору космического вещества, таких как Stardust ( 1999–2006) или Хаябуса (2005–2010). Исключениями из общего правила для космических аппаратов были американский космический корабль Gemini SC-2 , советский космический корабль Возвращаемый аппарат (ВА) , американский орбитальный аппарат Space Shuttle (середина 1970-х - 2011, 135 полетов с 1981 по 2011) и советский Буран. (1980-1988 гг., С одним испытательным полетом без экипажа в 1988 г.). Оба этих космических корабля также были неотъемлемой частью системы запуска (обеспечивающей ускорение запуска), а также работали как космические корабли средней продолжительности полета в космосе . Это начало меняться в середине 2010-х годов.

В 2010-х годах космическая транспортная капсула от одного из поставщиков, снабжающих Международную космическую станцию, была спроектирована для повторного использования, а после 2017 года НАСА начало разрешать повторное использование грузового космического корабля SpaceX Dragon на этих транспортных маршрутах по контракту НАСА. Это было началом проектирования и эксплуатации многоразового космического корабля .

С тех пор капсулы Boeing Starliner также снижают скорость падения с парашютами и незадолго до приземления на землю срабатывают подушку безопасности, чтобы поднять и повторно использовать транспортное средство.

По состоянию на 2020 год SpaceX в настоящее время строит и тестирует космический корабль Starship, чтобы он мог выдержать многократные гиперзвуковые повторные входы в атмосферу, чтобы они стали действительно многоразовыми космическими кораблями длительного действия; Оперативные полеты Starship еще не выполнялись.

Системы входа

Тепловой экран

С возможными надувными теплозащитными экранами , разработанными США (Low Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator - LOFTID) и Китаем, одноразовые ракеты, такие как Space Launch System , считаются модернизированными такими теплозащитными экранами, чтобы, возможно, спасти дорогие двигатели. значительно снижая затраты на запуски.

Ретроградная тяга

Системы пуска, такие как Falcon 9, используют для своих многоразовых ступеней не только ретроградные приземления, но и возвращение в атмосферу, и даже обратные ожоги, вместо того, чтобы нацеливаться только на приземление на более низкую дистанцию .

Системы посадки

Многоразовые системы могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми ( два или три ) для орбитальных конфигураций. Для некоторых или всех этапов могут использоваться следующие типы систем посадки.

Типы

Торможение

Это системы приземления, в которых используются парашюты и усиленные жесткие приземления, такие как приводнение в море или приземление на суше.

Хотя такие системы использовались с самого начала космонавтики для извлечения космических аппаратов, особенно космических капсул с экипажем , только позже аппараты были повторно использованы.

Например:

Горизонтальный (крылатый)

Одиночные или основные ступени, а также ускорители обратного хода могут использовать систему горизонтальной посадки.

Примеры:

Вариант - это система буксировки с воздушным захватом, которую предлагает компания EMBENTION в своем проекте FALCon.

Транспортным средствам, которые приземляются на взлетно-посадочную полосу горизонтально, требуются крылья и ходовая часть. Обычно они потребляют около 9–12% массы посадочной машины, что либо снижает полезную нагрузку, либо увеличивает размер транспортного средства. Такие концепции, как подъемные тела, предлагают некоторое уменьшение массы крыла, как и треугольная форма крыла космического корабля "Шаттл" .

Вертикальный (ретроградный)

Такие системы, как McDonnell Douglas DC-X (Delta Clipper) и SpaceX, являются примерами ретроградной системы. Ускорители Falcon 9 и Falcon Heavy приземляются с использованием одного из своих девяти двигателей. Ракета Falcon 9 - первая орбитальная ракета, которая вертикально приземляет свою первую ступень на землю. Планируется, что оба этапа Starship будут приземляться вертикально.

Для ретроградной посадки обычно требуется около 10% от общего количества топлива первой ступени, что снижает полезную нагрузку, которую можно нести из-за уравнения ракеты .

Посадка с использованием аэростатической силы

Также существует концепция ракеты-носителя с надувной многоразовой первой ступенью. Форма этой конструкции будет поддерживаться избыточным внутренним давлением (с использованием легких газов). Предполагается, что насыпная плотность первой ступени (без топлива) меньше насыпной плотности воздуха. По возвращении из полета такая первая ступень остается в воздухе (не касаясь поверхности Земли). Это гарантирует, что первая ступень будет сохранена для повторного использования. Увеличение размеров первой ступени увеличивает аэродинамические потери. Это приводит к небольшому снижению полезной нагрузки. Это снижение полезной нагрузки компенсируется повторным использованием первой ступени.

Ограничения

Дополнительный вес

Многоразовые ступени весят больше, чем эквивалентные одноразовые ступени . Это неизбежно из-за дополнительных систем, шасси и / или избыточного топлива, необходимого для посадки ступени. Фактический штраф массы зависит от транспортного средства и выбранного режима возврата.

Ремонт

После приземления пусковая установка может нуждаться в ремонте, чтобы подготовить ее к следующему полету. Этот процесс может быть длительным и дорогостоящим. Ракета-носитель может не пройти повторную сертификацию как предназначенную для людей после ремонта, хотя SpaceX повторно использовала ускорители Falcon 9 для человеческих миссий. В конечном итоге существует ограничение на то, сколько раз пусковая установка может быть восстановлена, прежде чем она должна быть выведена из эксплуатации, но частота повторного использования космического корабля существенно различается между различными конструкциями систем запуска.

История

С развитием ракетных двигателей в первой половине двадцатого века космические путешествия стали технической возможностью.

Ранние идеи одноступенчатого многоразового космического самолета оказались нереалистичными, и хотя даже первые практические ракетные аппараты ( Фау-2 ) могли достичь окраин космоса, технология многоразового использования была слишком тяжелой. Кроме того, многие ранние ракеты были разработаны для доставки оружия, что делало их повторное использование конструктивно невозможным. Проблема массовой эффективности была решена за счет использования нескольких одноразовых ступеней в многоступенчатой ​​ракете вертикального старта . USAF и NACA изучали орбитальные многоразовые космические самолеты с 1958 года, например Dyna-Soar , но первые многоразовые ступени не использовались до появления американского космического корабля «Шаттл» в 1981 году.

20 век

McDonnell Douglas DC-X использовал вертикальный взлет и вертикальную посадку

Возможно, первые многоразовые ракеты-носители были концептуализированы и изучены Вернером фон Брауном с 1948 по 1956 год. Ракета- перегонщик фон Брауна подвергалась двум модификациям: один раз в 1952 году и еще раз в 1956 году. Они приземлялись с помощью парашютов.

General Dynamics Nexus была предложена в 1960 - е годы в качестве полностью многоразовой преемника ракеты Сатурн V, имеющий способность перевозить до 450-910 т (990,000-2,000,000 фунтов) на орбиту. См. Также « Морской дракон» и « Дуглас САССТО» .

ВАС Горчица была изучена , начиная с 1964 г. Было бы включала три идентичных КЛА привязали вместе и расположены в два этапа. Во время подъема два космических самолета, которые составляли первую ступень, отделялись и по отдельности скользили обратно на Землю. Он был отменен после последней проработки конструкции в 1967 году из-за отсутствия средств на разработку.

НАСА начало процесс проектирования космического челнока в 1968 году с целью создания полностью многоразового космического самолета с использованием ракеты-носителя с пилотируемым обратным полетом . Эта концепция оказалась дорогостоящей и сложной, поэтому конструкцию пришлось сократить до многоразовых твердотопливных ракетных ускорителей и одноразового внешнего бака . Спейс шаттл « Колумбия» запускался и приземлялся 27 раз и погиб вместе со всем экипажем при 28-й попытке приземления; «Челленджер» запускался и приземлялся 9 раз и погиб вместе со всем экипажем при 10-й попытке запуска; "Дискавери" запускался и приземлялся 39 раз; «Атлантида» запускалась и приземлялась 33 раза.

В 1986 году президент Рональд Рейган призвал к созданию Национального аэрокосмического самолета с воздушно-реактивным двигателем (NASP) / X-30 . Проект провалился по техническим причинам и был отменен в 1993 году.

В конце 1980-х годов была предложена полностью многоразовая версия ракеты " Энергия " - Энергия II. Его ускорители и ядро ​​могли бы садиться отдельно на взлетно-посадочную полосу.

В 1990-х годах предложение McDonnell Douglas Delta Clipper VTOL SSTO перешло в фазу испытаний. DC-X прототип продемонстрировал быстрое время обработки и автоматическое управление компьютером.

В середине 1990-х британские исследователи преобразовали более ранний дизайн HOTOL в гораздо более многообещающий дизайн Skylon , который все еще находится в разработке.

С конца 1990-х до 2000-х годов Европейское космическое агентство изучало восстановление твердотопливных ракетных ускорителей Ariane 5 . Последняя попытка восстановления была предпринята в 2009 году.

Коммерческие предприятия, Rocketplane Kistler и Rotary Rocket , пытались построить многоразовые ракеты частной разработки, прежде чем обанкротиться.

НАСА предложило многоразовые концепции для замены технологии «Шаттл» для демонстрации в рамках программ X-33 и X-34 , которые были отменены в начале 2000-х годов из-за роста затрат и технических проблем.

21-го века

Масштабированные композиты SpaceShipOne использовали горизонтальную посадку после запуска с самолета-носителя
Боковые ускорители Falcon Heavy приземляются во время демонстрационной миссии 2018 года .

Конкурс Ansari X Prize был направлен на разработку частных суборбитальных многоразовых аппаратов. Многие частные компании соревновались с победителем, Scaled Composites , достигнув линии Кармана дважды за двухнедельный период со своим многоразовым SpaceShipOne .

В 2012 году SpaceX начала программу летных испытаний экспериментальных аппаратов . Впоследствии это привело к разработке многоразовой ракетной установки Falcon 9 .

23 ноября 2015 года ракета New Shepard стала первой суборбитальной ракетой с вертикальным взлетом и вертикальной посадкой (VTVL), которая достигла космоса, пройдя линию Кармана (100 км или 62 мили), достигнув высоты 329 839 футов (100 535 м) перед возвращением. для пропульсивной посадки.

Компания SpaceX осуществила первую вертикальную мягкую посадку многоразовой орбитальной ракетной ступени 21 декабря 2015 года после доставки 11 коммерческих спутников Orbcomm OG-2 на низкую околоземную орбиту .

Первое повторное использование первой ступени Falcon 9 произошло 30 марта 2017 года. В настоящее время SpaceX периодически восстанавливает и повторно использует свои первые ступени, а также повторно использует обтекатели .

В 2019 году Rocket Lab объявила о планах восстановления и повторного использования первой ступени своей ракеты-носителя Electron , намереваясь использовать парашюты и подъем в воздухе . 20 ноября 2020 года Rocket Lab успешно вернула первую ступень Electron с орбитального запуска, ступенька мягко плескалась в Тихом океане.

Китай изучает возможность повторного использования системы Long March 8 .

По состоянию на май 2020 года единственными действующими многоразовыми системами запуска орбитального класса являются Falcon 9 и Falcon Heavy , последняя из которых основана на Falcon 9. SpaceX также разрабатывает полностью многоразовую систему запуска Starship , а Blue Origin разрабатывает собственная частично многоразовая орбитальная ракета New Glenn , поскольку она намерена восстановить и повторно использовать только первую ступень.

5 октября 2020 года Роскосмос подписал контракт на разработку на Амуре новой пусковой установки с многоразовой первой ступенью.

В декабре 2020 года ЕКА подписало контракты на начало разработки THEMIS, прототипа многоразовой пусковой установки первой ступени.

Список многоразовых пусковых систем

Компания Транспортное средство Страна Тип Положение дел Примечания
SpaceX Сокол 9 нас Орбитальный Оперативный Первая ступень и обтекатель многоразового использования.
SpaceX Falcon Heavy нас Орбитальный Оперативный Сердечник, боковые ускорители и обтекатель многоразового использования.
SpaceX Звездолет нас Орбитальный Прототип Полностью многоразовый.
Ракетная лаборатория Электрон Новая Зеландия Орбитальный Оперативный Первая ступень восстановлена, но еще не использована.
Ракетная лаборатория Нейтрон Новая Зеландия Орбитальный В разработке Первая ступень многоразового использования
Голубое происхождение Новый Шепард нас Суборбитальный Оперативный Полностью многоразовый
Голубое происхождение New Glenn нас Орбитальный В разработке Первая ступень многоразового использования
United Launch Alliance Вулканский кентавр нас Орбитальный В разработке Модуль двигателя первой ступени многоразового использования в более поздних версиях.
Virgin Galactic SpaceShipTwo или VSS Unity нас Суборбитальный Прототип Создан для космического туризма. Полностью многоразовый
Virgin Galactic SpaceShipThree или VSS Imagine нас Суборбитальный Прототип Создан для космического туризма. Полностью многоразовый
НАСА Космический шаттл нас Орбитальный В отставке Орбитальный и боковые ускорители многоразового использования
НПО-Энергия Энергия-Буран или ОК-ГЛИ СССР Орбитальный В отставке Только полезная нагрузка орбитального корабля "Буран" многоразового использования; Пусковая установка Энергия полностью израсходована.
ISRO RLV TSTO Индия Орбитальный В разработке Две ступени на орбиту с возможностью повторного использования начальной верхней ступени и, в конечном итоге, полной возможности повторного использования
I-пространство Гипербола-2 Китай Орбитальный В разработке Прототип
Роскосмос Амур Россия Орбитальный В разработке Прототип
ЕКА Фемида ЕС Орбитальный В разработке Прототип, нацеленный на повторное использование на первом этапе
Пространство относительности Терран R нас Орбитальный В разработке Первая полностью многоразовая ракета, напечатанная на 3D-принтере

Смотрите также

использованная литература

Библиография

  • Хериберт Кучера и др.: Многоразовые космические транспортные системы. Springer, Берлин 2011 г., ISBN  978-3-540-89180-2 .

внешние ссылки