A l’espai en un coet meteorològic: projectes de vehicles de llançament espacial ultra-petits

Taula de continguts:

A l’espai en un coet meteorològic: projectes de vehicles de llançament espacial ultra-petits
A l’espai en un coet meteorològic: projectes de vehicles de llançament espacial ultra-petits

Vídeo: A l’espai en un coet meteorològic: projectes de vehicles de llançament espacial ultra-petits

Vídeo: A l’espai en un coet meteorològic: projectes de vehicles de llançament espacial ultra-petits
Vídeo: Эдит Уиддер: Мерцающая жизнь подводного мира 2024, Març
Anonim
Imatge
Imatge

La conquesta de l’espai exterior s’ha convertit en un dels èxits més importants i de l’època de la humanitat. La creació de vehicles de llançament i la infraestructura per al seu llançament van requerir grans esforços dels països líders del món. En el nostre temps, hi ha una tendència a crear vehicles de llançament totalment reutilitzables capaços de realitzar desenes de vols a l’espai. El seu desenvolupament i funcionament encara requereixen enormes recursos, que només poden ser assignats per estats o grans corporacions (de nou, amb el suport de l’estat).

Imatge
Imatge

A principis del segle XXI, la millora i miniaturització dels components electrònics va permetre crear satèl·lits de mida petita (els anomenats "microsatèl·lits" i "nanosatèl·lits"), la massa dels quals es troba entre 1 i 100 kg Recentment, estem parlant de "picosatèl·lits" (que pesen de 100 g a 1 kg) i de "femto satèl·lits" (que pesen menys de 100 g). Aquests satèl·lits es poden llançar com a grupatge de càrrega de diferents clients o com a càrrega de pas a naus espacials "grans" (SC). Aquest mètode de llançament no sempre és convenient, ja que els fabricants de nanosatèl·lits (a continuació utilitzarem aquesta designació per a totes les dimensions de les naus espacials ultra petites) s’han d’adaptar a l’horari dels clients per al llançament de la càrrega principal, així com a causa de diferències en les òrbites de llançament.

Això ha conduït a l’aparició de la demanda de vehicles de llançament ultra-petits capaços de llançar naus espacials que pesen entre 1 i 100 kg.

DARPA i KB "MiG"

Es van desenvolupar i s'estan desenvolupant molts projectes de vehicles de llançament ultralleugers, amb llançament terrestre, aeri i marítim. En particular, l’agència nord-americana DARPA treballava activament en el problema del llançament ràpid de naus espacials ultra petites. En particular, es pot recordar el projecte ALASA, llançat el 2012, en el marc del qual estava previst crear un coet de mida petita dissenyat per llançar-se des d'un caça F-15E i llançar satèl·lits de fins a 45 kg en òrbita de baixa referència. (LEO).

A l’espai amb un coet meteorològic: projectes de vehicles de llançament espacial ultra-petits
A l’espai amb un coet meteorològic: projectes de vehicles de llançament espacial ultra-petits

El motor de coet instal·lat al coet havia de funcionar amb monopropel·lent NA-7, inclòs monopropilè, òxid nitrós i acetilè. El cost del llançament no superava el milió de dòlars. Presumiblement, van ser els problemes amb el combustible, en particular la combustió espontània i la tendència a explotar, els que van posar fi a aquest projecte.

A Rússia s’estava elaborant un projecte similar. El 1997, l’oficina de disseny MiG, juntament amb KazKosmos (Kazakhstan), van començar a desenvolupar un sistema de llançament de càrrega útil (PN) mitjançant un interceptor MiG-31I convertit (Ishim). El projecte es va desenvolupar sobre la base de les bases per a la creació d’una modificació antisatèl·lita del MiG-31D.

El coet de tres etapes, llançat a una altitud d’uns 17.000 metres i una velocitat de 3.000 km / h, se suposava que proporcionaria una càrrega útil de 160 kg en òrbita a una altitud de 300 quilòmetres i una càrrega útil de 120 kg en una òrbita. a una altitud de 600 quilòmetres.

Imatge
Imatge

La difícil situació financera a Rússia a finals dels anys noranta i principis del 2000 no va permetre la realització d’aquest projecte en metall, tot i que és possible que apareguin obstacles tècnics en el procés de desenvolupament.

Hi havia molts altres projectes de vehicles de llançament ultralleugers. El seu tret distintiu es pot considerar el desenvolupament de projectes per part d’estructures estatals o grans corporacions (pràcticament “estatals”). Les plataformes complexes i costoses com caces, bombarders o avions de transport pesat sovint s’havien d’utilitzar com a plataformes de llançament.

Tot plegat va complicar el desenvolupament i va augmentar el cost dels complexos, i ara el lideratge en la creació de vehicles de llançament ultralleugers ha passat a mans d’empreses privades.

Laboratori de coets

Un dels projectes més coneguts i de més èxit de coets ultralleugers es pot considerar el vehicle de llançament "Electron" de la companyia americana-neozelandesa Rocket Lab. Aquest coet de dues etapes amb una massa de 12.550 kg és capaç de llançar 250 kg de PS o 150 kg de PS a una òrbita sincrònica solar (SSO) amb una altitud de 500 quilòmetres a LEO. La companyia té previst llançar fins a 130 míssils a l'any.

Imatge
Imatge

El disseny del coet està fet de fibra de carboni; els motors de reacció de propulsió líquida (LRE) s’utilitzen en un parell de combustible de querosè + oxigen. Per simplificar i reduir el cost del disseny, utilitza bateries de liti-polímer com a font d’energia, sistemes de control pneumàtic i un sistema per desplaçar el combustible dels tancs, que funciona amb heli comprimit. En la fabricació de motors de coets de combustible líquid i altres components de coets, s’utilitzen activament tecnologies additives.

Imatge
Imatge

Es pot assenyalar que el primer coet del Rocket Lab va ser el coet meteorològic Kosmos-1 (Atea-1 en llengua maori), capaç d’elevar 2 kg de càrrega útil a una altitud d’uns 120 quilòmetres.

Imatge
Imatge

Lin Industrial

L '"analògic" rus de Rocket Lab es pot anomenar l'empresa "Lin Industrial", que desenvolupa projectes per al coet suborbital més senzill capaç d'arribar a una altitud de 100 km, i llança vehicles dissenyats per produir càrregues útils a LEO i SSO.

Tot i que el mercat dels míssils suborbitals (principalment com els coets meteorològics i geofísics) està dominat per solucions amb motors de combustible sòlid, Lin Industrial construeix el seu coet suborbital basat en motors de coets de combustible líquid alimentats per querosè i peròxid d’hidrogen. Molt probablement, això es deu al fet que Lin Industrial veu la seva principal direcció de desenvolupament en el llançament comercial del vehicle de llançament en òrbita, i el coet suborbital de propulsió líquida és més probable que s’utilitzi per desenvolupar solucions tècniques.

Imatge
Imatge

El projecte principal de Lin Industrial és el vehicle de llançament ultralleuger Taimyr. Inicialment, el projecte preveia una disposició modular amb una disposició de mòduls en sèrie-paral·lela, que permet la formació d’un vehicle de llançament amb la possibilitat d’expedir una càrrega útil de 10 a 180 kg a LEO. El canvi en la massa mínima del vehicle de llançament llançat s’havia d’assegurar canviant el nombre d’unitats de míssils universals (UBR) - URB-1, URB-2 i URB-3 i la unitat de coets RB-2 de la tercera etapa.

Imatge
Imatge

Els motors del vehicle de llançament Taimyr han de funcionar amb querosè i peròxid d’hidrogen concentrat; el combustible s’ha de subministrar per desplaçament amb heli comprimit. S'espera que el disseny faci servir àmpliament materials compostos, inclosos plàstics reforçats amb fibra de carboni i components impresos en 3D.

Més tard, la companyia Lin Industrial va abandonar l'esquema modular: el vehicle de llançament es va convertir en dues etapes, amb una disposició seqüencial de graons, com a conseqüència del qual l'aparició del vehicle de llançament Taimyr va començar a assemblar-se a l'aparició del vehicle de llançament Electron per Rocket Lab. A més, el sistema de desplaçament de l’heli comprimit es va substituir pel subministrament de combustible mitjançant bombes elèctriques alimentades per bateries.

Imatge
Imatge

El primer llançament del Taimyr LV està previst per al 2023.

IHI Aerospace

Un dels vehicles de llançament ultralleugers més interessants és el coet japonès SS-520 de tres etapes de combustible sòlid fabricat per IHI Aerospace, creat sobre la base del coet geofísic S-520 afegint una tercera etapa i el refinament corresponent dels sistemes integrats. L’alçada del coet SS-520 és de 9,54 metres, el diàmetre de 0,54 metres i el pes del llançament de 2600 kg. La massa de càrrega útil lliurada a LEO és d’uns 4 kg.

Imatge
Imatge

El cos de la primera etapa és d'acer d'alta resistència, la segona etapa és de fibra de carboni compost, el carenat del cap és de fibra de vidre. Les tres etapes són de combustible sòlid. El sistema de control del SS-520 LV s’encén periòdicament en el moment de la separació de la primera i segona etapa, i la resta del temps el coet s’estabilitza per rotació.

El 3 de febrer de 2018, el SS-520-4 LV va llançar amb èxit un cubicat TRICOM-1R amb una massa de 3 quilograms, dissenyat per demostrar la possibilitat de crear naus espacials a partir de components electrònics de consum. En el moment del llançament, el SS-520-4 LV era el vehicle de llançament més petit del món, que es troba inscrit al Llibre Guinness dels Rècords.

Imatge
Imatge

La creació de vehicles de llançament ultra petits basats en coets meteorològics i geofísics de combustible sòlid pot ser una direcció prometedora. Aquests míssils són fàcils de mantenir i es poden emmagatzemar durant molt de temps en condicions que garanteixin la seva preparació per al llançament en el menor temps possible.

El cost d'un motor de coet pot ser aproximadament del 50% del cost d'un coet i és poc probable que es pugui arribar a una xifra inferior al 30%, fins i tot tenint en compte l'ús de tecnologies additives. En vehicles de llançament de combustible sòlid, no s’utilitza un oxidant criogènic, que requereix condicions especials d’emmagatzematge i repostatge immediatament abans del llançament. Al mateix temps, per a la fabricació de càrregues de combustible sòlid, també s'estan desenvolupant tecnologies additives que permeten "imprimir" les càrregues de combustible de la configuració requerida.

Les dimensions compactes dels vehicles de llançament ultralleugers simplifiquen el seu transport i permeten llançar des de diversos punts del planeta per obtenir la inclinació orbital necessària. Per als vehicles de llançament ultralleuger, cal una plataforma de llançament molt més senzilla que per als coets "grans", cosa que el fa mòbil.

Hi ha projectes d’aquest tipus de míssils a Rússia i sobre quina base es poden implementar?

A la URSS es va produir un nombre important de coets meteorològics: MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR -20 i coets geofísics: R-1A, R-1B, R-1V, R-1E, R-1D, R-2A, R-11A, R-5A, R-5B, R-5V, "Vertical", K65UP, MR-12, MR-20, MN-300, 1Ya2TA. Molts d'aquests dissenys es basaven en l'evolució militar de míssils balístics o antimíssils. Durant els anys d'exploració activa de l'atmosfera superior, el nombre de llançaments va arribar als 600-700 coets a l'any.

Imatge
Imatge

Després del col·lapse de l'URSS, el nombre de llançaments i tipus de míssils es va reduir radicalment. De moment, Roshydromet utilitza dos complexos: el MR-30 amb el coet MN-300 desenvolupat pel NPO Typhoon / OKB Novator i el míssil meteorològic MERA desenvolupat per KBP JSC.

MR-30 (MN-300)

El míssil del complex MR-30 proporciona l'elevació de 50-150 kg d'equipament científic a una altitud de 300 quilòmetres. La longitud del coet MN-300 és de 8012 mm amb un diàmetre de 445 mm, el pes del llançament és de 1558 kg. El cost d'un llançament del coet MN-300 s'estima en 55-60 milions de rubles.

Imatge
Imatge

Sobre la base del coet MN-300, es planteja la possibilitat de crear un vehicle de llançament ultra-petit IR-300 afegint una segona etapa i una etapa superior (de fet, una tercera etapa). És a dir, de fet, es proposa repetir l’experiència bastant reeixida d’implementar el vehicle de llançament ultralleuger japonès SS-520.

Al mateix temps, alguns experts expressen l’opinió que, atès que la velocitat màxima del coet MN-300 és d’uns 2000 m / s, per obtenir la primera velocitat còsmica d’uns 8000 m / s, que és necessària per posar el vehicle de llançament en òrbita, pot requerir una revisió massa seriosa del projecte original., que és essencialment el desenvolupament d'un nou producte, que pot conduir a un augment del cost del llançament gairebé per un ordre de magnitud i fer que sigui poc rendible en comparació amb els competidors.

MESURA

El coet meteorològic MERA està dissenyat per elevar una càrrega útil de 2-3 kg fins a una altitud de 110 quilòmetres. La massa del coet MERA és de 67 kg.

Imatge
Imatge
Imatge
Imatge

A primera vista, el coet meteorològic MERA no és absolutament adequat per utilitzar-lo com a base per crear un vehicle de llançament ultralleuger, però, al mateix temps, hi ha alguns matisos que permeten desafiar aquest punt de vista.

El míssil meteorològic MERA és un bicalibre de dues etapes i només la primera etapa realitza la funció d’acceleració, la segona - després de la separació, vola per inèrcia, cosa que fa que aquest complex sigui similar als míssils guiats antiaeris (SAM) de Tunguska i Complexos de míssils i canons antiaeris Pantsir (ZRPK). En realitat, sobre la base de míssils per als sistemes de míssils de defensa aèria d'aquests complexos, es va crear el coet meteorològic MERA.

La primera etapa és un cos compost amb una càrrega de combustible sòlid col·locada al seu interior. En 2,5 segons, la primera etapa accelera el coet meteorològic a una velocitat de 5M (velocitats del so), que és d’uns 1500 m / s. El diàmetre de la primera etapa és de 170 mm.

Imatge
Imatge

La primera etapa del coet meteorològic MERA, fabricat per bobina d’un material compost, és extremadament lleugera (en comparació amb estructures d’acer i alumini de dimensions similars); el seu pes és de només 55 kg. A més, el seu cost hauria de ser significativament inferior a les solucions fetes amb fibra de carboni.

Basant-se en això, es pot suposar que sobre la base de la primera etapa del coet meteorològic MERA, es pot desenvolupar un mòdul de coet unificat (URM), dissenyat per a la formació per lots d’etapes de vehicles de llançament ultralleuger

De fet, hi haurà dos mòduls d’aquest tipus, que diferiran en el broquet d’un motor coet, optimitzat, respectivament, per al funcionament a l’atmosfera o al buit. De moment, el diàmetre màxim de les carcasses fabricades per JSC KBP pel mètode de bobinatge és suposadament de 220 mm. És possible que hi hagi una viabilitat tècnica de fabricar carcasses compostes de diàmetre i longitud més grans.

D’altra banda, és possible que la solució òptima sigui la fabricació de cascs, la mida dels quals s’unificarà amb qualsevol munició per al sistema de míssils de defensa aèria Pantsir, míssils guiats del complex Hermes o coets meteorològics MERA, reduir el cost d’un sol producte augmentant el volum de versions en sèrie del mateix tipus de productes.

Les etapes del vehicle de llançament s’han de reclutar des de l’URM, fixades en paral·lel, mentre que la separació de les etapes es durà a terme de manera transversal; no es proporciona la separació longitudinal de l’URM a l’etapa. Es pot suposar que les etapes d’aquest vehicle de llançament tindran una gran massa paràsita en comparació amb un cos monobloc d’un diàmetre més gran. Això és en part cert, però el baix pes de la caixa feta de materials compostos fa que es pugui nivelar en gran mesura aquest inconvenient. Pot resultar que una caixa de gran diàmetre, feta amb una tecnologia similar, serà molt més difícil i costosa de fabricar, i les seves parets hauran de ser molt més gruixudes per garantir la rigidesa necessària de l'estructura que la dels URM connectats mitjançant un paquet, de manera que al final hi ha un munt de monobloc i les solucions de paquet seran comparables a un cost inferior d’aquest últim. I és molt probable que un estoig monobloc d’acer o alumini sigui més pesat que un de compost compost.

Imatge
Imatge

La connexió paral·lela de l'URM es pot dur a terme mitjançant elements fresats compostos plans situats a les parts superior i inferior del graó (en els punts de reduïment del cos de l'URM). Si cal, es poden fer servir soleres addicionals de materials compostos. Per reduir el cost de l’estructura, els materials industrials tecnològics i econòmics, s’han d’utilitzar adhesius d’alta resistència tant com sigui possible.

De la mateixa manera, les etapes de BT es poden interconnectar mitjançant elements tubulars o de reforç compostos, i l'estructura no pot ser separable, quan es separen les etapes, els elements portants es poden destruir mitjançant càrregues piro de manera controlada. A més, per augmentar la fiabilitat, les càrregues piro es poden situar en diversos punts de l’estructura de suport situats de manera seqüencial i es poden iniciar tant per encès elèctric com per encès directe de la flama dels motors de l’etapa superior, quan s’encenen (per disparar) l’etapa inferior si l’encès elèctric no funcionava).

Imatge
Imatge

El vehicle de llançament es pot controlar de la mateixa manera que es fa amb el vehicle de llançament ultralleuger japonès SS-520. L'opció d'instal·lar un sistema de control de comandes per ràdio, similar a la instal·lada al sistema de míssils de defensa antiaèria Pantsir, també es pot considerar per corregir el llançament del vehicle de llançament almenys en una part de la trajectòria del vol (i possiblement en totes les etapes de el vol). Potencialment, això reduirà la quantitat d’equips cars a bord d’un coet d’un sol ús portant-lo a un vehicle de control “reutilitzable”.

Es pot suposar que, tenint en compte l’estructura de suport, els elements de connexió i el sistema de control, el producte final podrà lliurar una càrrega útil que pesi des de diversos quilos fins a diverses desenes de quilograms a LEO (depenent del nombre de mòduls de coet unificats). a les etapes) i competeix amb el ultralleuger japonès SS-LV.520 i altres vehicles de llançament ultralleugers similars desenvolupats per empreses russes i estrangeres.

Per a la comercialització reeixida del projecte, el cost estimat de llançament del vehicle de llançament ultralleuger MERA-K no hauria de superar els 3,5 milions de dòlars (aquest és el cost de llançament del vehicle de llançament SS-520).

A més d’aplicacions comercials, el vehicle de llançament MERA-K es pot utilitzar per a la retirada d’emergència de naus espacials militars, la mida i el pes de les quals també disminuiran gradualment.

A més, els desenvolupaments obtinguts durant la implementació del vehicle de llançament MERA-K es poden utilitzar per crear armes avançades, per exemple, un complex hipersònic amb una ogiva convencional en forma de planador compacte, que es deixa caure després del llançament del llançament. vehicle fins al punt superior de la trajectòria.

Recomanat: