Saya pikir semua orang yang berbicara tentang roket yang dapat digunakan kembali terutama terinspirasi oleh pesawat terbang. Mesin bersayap ini terbang secara aktif, sangat andal, dan memiliki sumber daya yang sangat besar. Dan tidak seperti roket, Anda dapat dengan mudah membeli tiket dan terbang ke mana pun Anda pergi. Oleh karena itu, banyak penulis fiksi ilmiah, sinematografer, dan insinyur desain menggambar pesawat terbang atau roket bersayap sebagai roket yang dapat digunakan kembali, di mana setidaknya tahap pertama mendarat di kosmodrom di sepanjang pesawat. Ini adalah pendekatan klasik, di mana setiap orang mencoba membangun di atas apa yang telah dicapai secara maksimal. Mari kita coba mencari tahu apa yang dibutuhkan rudal untuk kembali dengan selamat.
Memasuki atmosfer
Agar kendaraan peluncur dapat menempatkan satelit ke orbit, satelit (dan tahap terakhir) harus diberi tahu kecepatan di wilayah 7800 m / s. Untuk memahami hal ini, diperlukan urutan angka, bukan nilai pastinya. Pada saat yang sama, tahap pertama, tergantung pada konfigurasi kendaraan peluncur, mengembangkan kecepatan di wilayah 1600-3800 m / s. Jadi, saat kembali ke Bumi, unit roket memasuki atmosfer dengan kecepatan yang hampir sama dengan saat berpisah. Ini bisa dikatakan kondisi awal kami. Saat memasuki atmosfer, unit roket mengalami hambatan atmosfer, yang menyebabkan tekanan mekanis dan pemanasan. Beban mekanis (head kecepatan tinggi) sebanding dengan kuadrat kecepatan, dan pemanasan (aliran panas) dengan kecepatan kubus. Dalam hal ini, head kecepatan dan fluks panas berbanding lurus dengan massa jenis atmosfer. Ini adalah hubungan yang paling pentingyang menentukan cara memasuki atmosfer dan terbang di dalamnya. Dan jika pendekatan sederhana digunakan untuk mengkompensasi beban yang meningkat - peningkatan massa struktur, maka fluks panas yang meningkat tidak dapat dikompensasikan dengan cara ini. Fluks panas yang dapat dirasakan oleh suatu struktur per satuan waktu ditentukan secara unik oleh bahan bangunan yang digunakan atau permukaan luarnya. Pada kecepatan tinggi, bahan konstruksi konvensional langsung meleleh. Tetapi mereka menemukan jalan keluar dari situasi ini. Misalnya, perlindungan termal ablatif secara aktif digunakan untuk pesawat ruang angkasa yang turun dan masuk kembali.secara unik ditentukan oleh bahan bangunan yang digunakan atau permukaan luarnya. Pada kecepatan tinggi, bahan konstruksi konvensional langsung meleleh. Tetapi mereka menemukan jalan keluar dari situasi ini. Misalnya, perlindungan termal ablasi secara aktif digunakan untuk pesawat ruang angkasa yang turun dan masuk kembali.secara unik ditentukan oleh bahan bangunan yang digunakan atau permukaan luarnya. Pada kecepatan tinggi, bahan konstruksi konvensional langsung meleleh. Tetapi mereka menemukan jalan keluar dari situasi ini. Misalnya, perlindungan termal ablatif secara aktif digunakan untuk pesawat ruang angkasa yang turun dan masuk kembali.
Kendaraan keturunan pesawat ruang angkasa tipe Soyuz setelah mendaratkan
modul komando Apollo setelah mendarat
. Gambar-gambar tersebut menunjukkan bahwa pelindung panas terbakar dan terbawa arus. Ini adalah sifat utamanya - untuk mengumpulkan energi dan terbawa arus. Ini sangat mirip dengan air, yang, karena pendidihan dan penguapan, mempertahankan suhu yang ditentukan secara ketat. Tapi ini sama sekali bukan teknologi yang dapat digunakan kembali. Bahan pelindung panas semacam itu sangat mahal, sangat berat dan perlu dikembalikan atau diganti setelah setiap penerbangan. VA TKS bahkan mengembangkan teknologi pemulihan perlindungan termal ablatif setelah "penguapan". Tetapi teknologi ini ternyata cukup mahal dan karena sejumlah alasan mereka tidak melangkah lebih jauh.
Di AS, untuk Pesawat Ulang-alik, dan kemudian di Uni Soviet, untuk pesawat ruang angkasa Buran, bahan pelindung panas karbon-karbon dan silikon dikembangkan, yang seharusnya memastikan bobot rendah dan dapat digunakan kembali.
Lapisan pelindung panas dari pesawat ruang angkasa "Buran"
Ini menjadi mungkin dengan penggunaan bentuk pesawat layang untuk kendaraan. Karena luas permukaan yang besar per satuan berat, kendaraan memadamkan sebagian kecepatan di lapisan atmosfer yang dijernihkan dan memasuki lapisan padat dengan kecepatan lebih rendah. Dan menggunakan kualitas aerodinamis saat memasuki atmosfer, perangkat mengubah kecepatan vertikalnya menjadi kecepatan horizontal dan karenanya secara bertahap mengurangi ketinggiannya. Berkat dua faktor ini, dimungkinkan untuk mengurangi fluks panas per satuan permukaan, yang, ditambah dengan radiasi panas radiasi ke ruang sekitarnya, memungkinkan penggunaan bahan-bahan ini. Selain itu, gliding descent memungkinkan untuk mengurangi beban mekanis dan kelebihan beban yang dialami oleh glider. Di laboratorium, ubin karbon-karbon dan kuarsa telah menunjukkan hasil yang sangat baik.Mereka secara efektif mengandung fluks panas yang dibutuhkan dan panas yang diradiasikan kembali secara aktif. Karena koefisien konduktivitas termal yang rendah, struktur pesawat ruang angkasa tidak memanas di atas batas yang diizinkan dan mempertahankan sifat kekuatannya. Namun pada kenyataannya, bahan yang digunakan sangat menuntut untuk menyesuaikan dengan proses teknologi pembuatan dan penerapannya (pengeleman). Masalah yang paling penting adalah kerapuhan material, yang sama sekali tidak dievaluasi dalam model matematika selama desain. Misalnya, ubin kuarsa mudah didorong dengan jari. Ubin karbon-karbon mudah terkelupas di bagian tepinya. Selain itu, saat terbang di lapisan atmosfer yang padat, ubin kuarsa menerima efek erosif yang signifikan dari partikel debu, yang membutuhkan restorasi selanjutnya.Beberapa ubin jatuh begitu saja selama operasi. Semua ini mengarah pada fakta bahwa operasi lapisan pelindung panas ini menjadi jauh lebih mahal daripada jenis pelindung panas ablatif. Nah, semua orang mungkin ingat bencana Space Shuttle Columbia, yang terjadi pada 1 Februari 2003 akibat rusaknya pelindung termal. Setelah penerbangan pertama (atau terakhir), pesawat ruang angkasa "Buran" juga mengalami kerusakan parah pada lapisan pelindung panas, yang untungnya tidak terlalu kritis.
Lalu, bagaimana cara mengatasi masalah pemanasan termal? Dan di sini sekali lagi perlu diingat bahwa fluks panas sebanding dengan kecepatan kubus. Seperti yang saya tulis di atas, kecepatan tahap pertama bisa tiga kali lebih kecil dari kecepatan tahap terakhir. Ini berarti bahwa blok roket dari akselerator tahap pertama saat memasuki atmosfer dapat memanas 27 kali lebih kuat daripada blok yang turun dengan kecepatan orbit. Artinya, kita perlu mengurangi kecepatan suatu benda yang masuk ke atmosfer. Sayangnya, karena bentuknya yang aerodinamis atau efek aerodinamis, tidak mungkin untuk mengurangi kecepatan secara drastis. Anda perlu memperlambat, atau tidak mendapatkan kecepatan sebanyak tahap pertama. Perhitungan menunjukkan bahwa jika kendaraan luncur mengembangkan kecepatan hingga 2500 m / s, maka tidak mengalami pemanasan yang berarti,yang membutuhkan penggunaan bahan pelindung panas khusus. Dalam hal ini, paduan titanium harus digunakan di fairing sayap, di bagian tepi dan di semua tempat yang bertekanan panas.
Peniupan berikutnya dari perangkat yang rumit ini direkomendasikan untuk mengurangi kecepatan secara lebih signifikan atau memilih bentuk aerodinamis yang mengurangi tekanan panas pada bagian tepi, fairing, dan tempat serupa. Untuk blok roket klasik, nilai kecepatan ini bahkan lebih rendah, karena ia terjun sangat intensif ke lapisan atmosfer yang padat. Berdasarkan hasil perhitungan dan penerbangan nyata, ternyata unit roket tersebut tidak membutuhkan perlindungan khusus pada kecepatan masuk di wilayah 1200 m / s. Pada kecepatan di wilayah 1400 m / s, aplikasi lokal dari bahan tahan api khusus atau proteksi termal diperlukan. Di sini kita melihat bahwa pengurangan yang diperlukan dalam kecepatan unit roket klasik sangat signifikan dan sangat tidak efisien untuk memisahkan unit roket pada kecepatan terbang seperti itu. Jadi apa jalan keluarnya? Dan sangat sederhana - untuk mengerem mesin sebelum memasuki atmosfer,untuk memberikan kecepatan masuk di wilayah 1200-1400 m / s. Seluruh pertanyaannya adalah tentang perbedaan antara kecepatan pemisahan dan masuknya ke atmosfer. Kebutuhan bahan bakar untuk perlambatan tersebut dapat diperkirakan dengan cukup akurat menggunakan rumus Tsiolkovsky, dengan menambahkan kerugian gravitasi untuk waktu perlambatan.
Pendaratan mulus
Di sini kami meninjau secara singkat masalah masuk kembali ke atmosfer untuk unit roket yang dapat digunakan kembali. Dan sekarang, secara singkat tentang masalah soft landing, yang akan menjaga struktur, yang tidak terlalu panas, utuh dan aman. Mari kita mulai dengan struktur bersayap lagi. Mungkin tidak perlu banyak menjelaskan. Semua orang pasti pernah melihat pesawat mendarat. Berikut ini skema yang serupa, tetapi dengan satu peringatan. Karena kendaraan tersebut bukan pesawat terbang, kecepatan pendaratan horizontal mereka cukup tinggi, yang membutuhkan landasan pacu yang panjang dan berkualitas tinggi. Di jalur biasa, seperti di Sheremetyevo, perangkat seperti itu kemungkinan besar akan mogok. Saya pikir kami sudah memilah kendaraan bersayap.
Tapi bagaimana dengan balok roket klasik? Perlu dipastikan bahwa struktur tidak rusak selama pendaratan. Anda dapat dengan hati-hati menurunkan unit roket ke dalam air, baik dengan bantuan parasut, atau dengan mengerem mesin.
Penguat tahap pertama mengambang Falcon-9
Opsi mendarat di air ini tampaknya bagus untuk semua orang. Tetapi ada beberapa masalah dan tugas yang praktis tidak dapat diselesaikan. Tidak semua kendaraan peluncur memiliki jalur penerbangan di area yang bloknya jatuh di atas air. Misalnya, ketika diluncurkan dari kosmodrom Baikonur, hal seperti itu tidak dapat dilakukan sama sekali, dari kosmodrom Vostochny sangat bermasalah. Saat bersentuhan dengan air laut, banyak paduan dan bahan mulai rusak dengan cepat. Dengan sendirinya, air dapat mengganggu fungsi banyak sistem mekanis dan elektronik. Ada masalah pengeringan blok dan pembersihan endapan garam. Saat bersentuhan dengan air, elemen struktural panas rentan terhadap retak dan efek pengerasan berlebihan. Dan pada akhirnya, melempar menambahkan beban di luar desain. Mempertimbangkan semua faktor ini, mendarat di air biasanya tidak dipertimbangkan oleh spesialis. Dan jika dianggap,mereka dengan cepat meninggalkan ide ini. Tetap mendaratkan unit roket baik di darat atau di anjungan lepas pantai.
Platform menambah masalah dengan pitching dan drifting. Tetapi sistem stabilisasi yang efektif membuat platform untuk unit rudal itu praktis menjadi tanah kering. Meskipun pengembangan sistem stabilisasi semacam itu merupakan tugas tambahan, tetapi tugas yang cukup dapat diselesaikan.
Platform Pendaratan Lepas Pantai SpaceX
Selanjutnya, Anda perlu memutuskan metode pendaratan. Biasanya yang pertama ditawarkan adalah parasut. Dia akrab bagi semua orang, jenisnya bisa dimengerti dan akrab. Parasut memungkinkan, dengan area dan massa yang dapat diterima, untuk mengurangi kecepatan turun menjadi sekitar 8-12 m / s. Tapi dia tidak akan bisa melakukan soft landing. Ini membutuhkan motor rem tambahan dan peredam kejut. Hanya peredam kejut yang bisa digunakan. Jika kita ingin mendaratkan unit roket dengan beban berlebih 2g hanya dengan bantuan peredam kejut dan dengan kecepatan 8 m / s, maka idealnya diperlukan langkah peredam kejut 1,63 meter. Perjalanan kejut yang diperlukan sebanding dengan kuadrat laju sink dan berbanding terbalik dengan beban berlebih. Ngomong-ngomong, rumus perhitungannya mudah diturunkan dari hukum kekekalan energi. Anda hanya perlu menyamakan energi kinetik dengan potensial. Tapi mari kita lanjutkan dengan parasut.Parasut memiliki satu sifat buruk.
Parasut kanopi klasik tidak akan memberikan pendaratan yang akurat. Platform dengannya tidak ada gunanya, dan roket akan mendarat di tanah atau di hutan. Untuk menjaga keutuhan unit roket, roket harus mendarat secara merata pada semua penyangga, baik secara vertikal maupun ke samping. Setelah itu, dia tidak boleh berguling, jatuh atau berguling. Ini tidak akan berfungsi di situs yang tidak dipersiapkan dan tidak bertingkat. Banyak yang ingat bagaimana ketidaksempurnaan algoritma stabilisasi tongkang SpaceX menyebabkan jatuhnya unit roket berikutnya. Ini akan sama pada permukaan yang melengkung. Bahkan ketika ditumpuk ke samping, unit rudal pada platform melengkung hanya akan rusak, seperti yang terjadi selama pengujian unit samping Energia LV.
Skema kembalinya unit samping LV "Energia" (http://www.buran.ru)
Pengujian menjatuhkan blok menunjukkan bahwa selama pendaratan mereka menerima kerusakan yang tidak menyiratkan penggunaan selanjutnya. Itu bahkan tidak datang untuk menguji sisa tahapan penerbangan.
Mengetahui hal ini, para pengembang mulai secara aktif menawarkan parasut sayap berpemandu, yang secara teoritis memungkinkan Anda menurunkan beban ke lokasi yang tepat. Tetapi perkembangan seperti itu bertentangan dengan ketidaksempurnaan algoritma kontrol di bawah kondisi lingkungan yang berubah dengan cepat (angin, hembusan, dll.). Sekarang SpaceXsecara aktif menguji teknologi ini untuk menurunkan penutup fairing. Selain parasut berpemandu, mereka menggunakan kapal dengan jaring besar, yang terus bergerak untuk menangkap selempang. Sampai saat ini, hasilnya tidak terlalu positif, tetapi juga tidak putus asa. Dan baru-baru ini, tutup fairing semakin terjepit di jaring.
Kapal SpaceX untuk menangkap flap fairing
Untuk mengatasi masalah soft landing unit roket terjun payung, rekan saya, S.V. Antonenko dan S.A. Belavsky, pickup helikopter dari unit roket terjun payung diusulkan.
Skema penjemputan helikopter dari unit roket
Keuntungan dari skema ini adalah Anda tidak perlu memikirkan situs yang disiapkan dan tidak perlu menghabiskan massa tambahan untuk perangkat pendaratan (peredam kejut). Selain itu, skema pengambilan objek terjun payung di dunia berkembang dengan baik dan tidak menimbulkan pertanyaan besar. Jika penjemputan diperlukan di laut, anjungan lepas pantai dapat digunakan. Batasan skema ini adalah massa unit roket dan daya dukung helikopter. Dengan demikian, helikopter terbesar di dunia Mi-26 akan mampu mengangkut tidak lebih dari 16 ton. Rudal keluarga Angara memiliki unit roket dengan berat sekitar 11 ton, sedangkan unit roket dari kendaraan peluncuran Falcon-9 sudah memiliki berat sekitar 23 ton.
Saya pikir kita sudah selesai dengan parasut. Bagaimana Anda bisa melakukannya tanpa parasut? Untuk ini, dapat digunakan mesin yang akan mengerem unit roket sebelum mendarat dengan kecepatan di urutan 1-2 m / s. Lebih sulit untuk mendarat lebih tepatnya, tetapi di masa depan saya pikir kita dapat berbicara tentang 0,5 m / s ke bawah. Remah-remah terakhir harus diredam oleh peredam kejut kecil. Perlu diingat bahwa skema ini membutuhkan pendaratan di lokasi yang telah disiapkan dan orientasi unit roket yang benar saat mengeluarkan impuls pengereman. Artinya, kita butuh kontrol dan stabilisasi. Pada tahap perkembangan teknologi ini, sistem kontrol semacam itu tidak mewakili masalah tertentu. Algoritme untuk kontrol, bimbingan, dan pendaratan juga dapat diterima untuk penciptaan dan pengembangan. Dan kontrol dalam bentuk mesin jet gas dan kemudi aerodinamis sudah menjadi klasik.Peredam kejut pendaratan juga berkembang dengan cukup baik saat ini dan bekerja setidaknya dalam dua versi, dariSpaceX dan Blue Origin . Selain itu, dengan metode pendaratan ini, ada tugas meredam komponen kecepatan horizontal dan kecepatan sudut. Tapi ini juga semua bisa diselesaikan dan bahkan berhasil dengan baik.
Pendaratan blok samping Falcon Heavy LV
Kami melihat bahwa skema pendaratan (pendaratan) seperti itu telah dikembangkan dengan baik dan tidak menyembunyikan masalah yang tidak dapat diselesaikan.
Tidak dimanapun
Ini mungkin semua tentang metode pendaratan. Tetapi bagaimana Anda menemukan diri Anda berada di area tertentu atau di situs yang telah disiapkan? Pesawat jenis gliding bersayap, karena kualitas aerodinamisnya, seperti yang saya tulis sebelumnya, mengubah kecepatan vertikal menjadi kecepatan horizontal dengan cukup baik. Oleh karena itu, mereka sering mencapai landasan pendaratan sendiri. Dan jika jangkauan penerbangan tidak cukup, maka mesin pesawat jet udara tambahan digunakan.
Blok roket dengan skema klasik memiliki sedikit kesempatan untuk menyesuaikan jangkauan dengan memasang kemudi aerodinamis. Mereka juga dapat melakukan penyesuaian jangkauan saat impuls pengereman diterapkan untuk mengurangi fluks panas. Tetapi seringkali kisaran seperti itu mungkin tidak cukup. Mari kita lihat skema yang paling menarik secara logistik, ketika unit roket kembali ke kosmodrom dan mereka tidak perlu diangkut tambahan dalam jarak yang signifikan. Jadi, untuk mengimplementasikan skema dengan kembali ke titik awal, setelah pemisahan unit roket, aktivasi tambahan mesin roket digunakan. Dalam hal ini, mesin diorientasikan sedemikian rupa sehingga secara bersamaan mengurangi kecepatan penerbangan dan mengatur kecepatan kembali ke lokasi pendaratan.
Keuntungan utama dari impuls korektif semacam itu adalah setelah itu unit roket membuat penyesuaian jangkauan utama sambil bergerak secara praktis di ruang tanpa udara. Dorongan seperti itu dapat digunakan tidak hanya untuk kembali ke kosmodrom, tetapi juga untuk mendarat di hampir semua tempat.
Skema penerbangan Falcon-9
Untuk unit roket dengan parasut, juga dimungkinkan untuk menggunakan kombinasi impuls korektif dan pengereman mesin roket, antara lain, serta kontrol kemudi aerodinamis. Namun perlu diingat bahwa parasut tersebut masih akan mendapatkan error acak hingga beberapa kilometer selama pengoperasiannya. Saya menulis tentang sayap parasut yang dikendalikan.
Kesimpulan
Jadi saya meninjau semua tahapan penerbangan unit roket yang dapat digunakan kembali dan mencoba menjelaskan dengan cara yang dapat diakses apa dan mengapa harus dilakukan pada tahap ini agar unit roket yang dapat digunakan kembali kembali aman dan sehat. Pada kenyataannya, tentu saja, ada beberapa kali lipat lebih banyak pertanyaan dan nuansa, tetapi pertanyaan yang telah saya pertimbangkan adalah yang utama dan menentukan untuk skema masa depan unit roket yang dapat digunakan kembali. Mari kita rangkum skema untuk implementasi blok roket yang dapat digunakan kembali. Yang utama menurut saya adalah:
- Blok bersayap dengan pendaratan pesawat horizontal.
- Pendaratan dinamis roket.
- Penjemputan helikopter dari unit roket terjun payung.
Ini adalah skema yang paling banyak diterapkan dan dikembangkan, tetapi Anda dapat menggabungkan skema Anda sendiri berdasarkan preferensi pribadi. Tetapi setelah itu, skema baru harus dihitung dengan cermat untuk memastikan bahwa itu dapat direalisasikan dan Anda tidak akan mengalami masalah yang tidak dapat dipecahkan. Saya akan segera membuat reservasi bahwa setiap skema memiliki nuansa dan batas realisasinya sendiri. Masing-masing memiliki kerugian sendiri dalam massa muatan, kerugian dalam biaya, dan kompleksitas pemecahan masalah. Tapi lebih dari itu di lain waktu.