Es creu que les tecnologies sempre es desenvolupen gradualment, des de simples a complexes, des de ganivets de pedra fins a acer, i només després a una fresadora programada. No obstant això, el destí del coet espacial va resultar ser menys senzill. La creació de míssils simples i fiables d’una sola etapa va romandre durant molt de temps inaccessible per als dissenyadors. Es necessitaven solucions que ni els científics ni els enginyers de motors podien oferir. Fins ara, els vehicles de llançament continuen sent d'un sol ús i són múltiples: es fa servir un sistema increïblement complex i car durant uns minuts, després dels quals es llença
“Imagineu-vos que abans de cada vol muntaríeu un avió nou: connectareu el fuselatge a les ales, col·loqueu cables elèctrics, instal·leu els motors i, després d’aterrar, l’envieu a un abocador … No volareu lluny com això ", ens van dir els desenvolupadors del State Missile Center. Makeeva. “Però això és exactament el que fem cada vegada que enviem càrrega en òrbita. Per descomptat, idealment tothom voldria tenir una "màquina" fiable d'una etapa que no requereixi muntatge, però que arribi al cosmodrom, es realitzi combustible i es posi en marxa. I després torna i torna a començar - i de nou "…
A mig camí
En general, el coet va intentar superar-se amb una etapa dels primers projectes. En els esbossos inicials de Ciolkovski, apareixen aquestes estructures. Va abandonar aquesta idea només més tard, adonant-se que les tecnologies de principis del segle XX no permetien realitzar aquesta solució senzilla i elegant. L’interès pels transportistes en una sola etapa va sorgir de nou als anys seixanta, i aquests projectes s’estaven elaborant a banda i banda de l’oceà. Als anys setanta, els Estats Units treballaven en coets SASSTO, Phoenix i en diverses solucions basades en el S-IVB, la tercera etapa del vehicle de llançament Saturn V, que lliurava els astronautes a la lluna.
"Aquesta opció no diferiria en la capacitat de càrrega, els motors no eren prou bons per a això, però tot i així seria una etapa, bastant capaç de volar en òrbita", continuen els enginyers. "Per descomptat, econòmicament seria completament injustificat". Els compostos i les tecnologies per treballar amb ells només han aparegut en les darreres dècades, cosa que permet fer que el transportista sigui una sola etapa i, a més, sigui reutilitzable. El cost d'aquest coet "intensiu en ciència" serà superior al d'un disseny tradicional, però es distribuirà en molts llançaments, de manera que el preu de llançament serà molt inferior al nivell habitual.
La reutilització dels mitjans és l’objectiu principal dels desenvolupadors actuals. El transbordador espacial i els sistemes Energia-Buran van ser parcialment reutilitzables. S’està provant l’ús repetit de la primera etapa per als coets SpaceX Falcon 9. SpaceX ja ha aconseguit diversos aterratges amb èxit i a finals de març intentaran llançar una de les etapes que van tornar a volar a l’espai. "Al nostre parer, aquest enfocament només pot desacreditar la idea de crear un mitjà reutilitzable real", assenyala Makeev Design Bureau. "Encara heu de solucionar aquest coet després de cada vol, instal·lar connexions i nous components d'un sol ús … i tornem a on vam començar".
Els suports totalment reutilitzables encara són només en forma de projectes, a excepció del New Shepard de la companyia americana Blue Origin. Fins ara, el coet amb una càpsula tripulada està dissenyat només per a vols suborbitals de turistes espacials, però la majoria de les solucions trobades en aquest cas es poden escalar fàcilment per a un portador orbital més greu. Els representants de la companyia no amaguen els seus plans per crear aquesta opció, per a la qual ja s'estan desenvolupant motors potents BE-3 i BE-4. "Amb cada vol suborbital ens apropem a l'òrbita", va assegurar Blue Origin. Però el seu prometedor operador New Glenn tampoc no serà totalment reutilitzable: només s’hauria de reutilitzar el primer bloc, creat sobre la base del ja provat disseny de New Shepard.
Resistència material
Els materials CFRP necessaris per a coets totalment reutilitzables i de fase única s’utilitzen en tecnologia aeroespacial des dels anys noranta. En aquests mateixos anys, els enginyers de McDonnell Douglas van començar ràpidament a implementar el projecte Delta Clipper (DC-X), i avui podrien presumir d’un transportista de fibra de carboni ja fabricat i volador. Malauradament, sota la pressió de Lockheed Martin, es van interrompre els treballs sobre DC-X, les tecnologies es van transferir a la NASA, on van intentar utilitzar-les per al fracassat projecte VentureStar, després del qual molts enginyers implicats en aquest tema van anar a treballar a Blue Origin, i la companyia va ser presa per Boeing.
Els mateixos anys noranta, el rus SRC Makeev es va interessar per aquesta tasca. Des de llavors, el projecte KORONA ("Coet espacial, portador d'una sola etapa de vehicles [espacials]") ha experimentat una evolució notable i les versions intermèdies mostren com el disseny i la disposició es van fer cada vegada més senzills i perfectes. A poc a poc, els desenvolupadors van abandonar elements complexos, com ara ales o dipòsits de combustible externs, i van arribar a entendre que el material principal del cos havia de ser fibra de carboni. Juntament amb l'aparença, tant el pes com la capacitat de càrrega van canviar. "Fent servir fins i tot els millors materials moderns, és impossible construir un coet d'una sola etapa que pesi menys de 60-70 tones, mentre que la seva càrrega útil serà molt petita", diu un dels desenvolupadors. - Però a mesura que la massa inicial creix, l'estructura (fins a un límit determinat) té una quota cada vegada més petita i cada cop és més rendible utilitzar-la. Per a un coet orbital, aquest òptim és d’unes 160 a 170 tones, a partir d’aquesta escala ja es pot justificar el seu ús ".
A la darrera versió del projecte KORONA, la massa de llançament és encara més gran i s’acosta a les 300 tones. Un coet tan gran d’una sola etapa requereix l’ús d’un motor de reacció de combustible líquid d’alta eficiència que funcioni amb hidrogen i oxigen. A diferència dels motors en etapes separades, un motor coet propulsor líquid ha de ser capaç de funcionar en condicions molt diferents i a diferents altituds, inclosos l’enlairament i el vol fora de l’atmosfera. "Un motor convencional de combustible líquid amb broquets Laval només és eficaç en determinats rangs d'altitud", expliquen els dissenyadors de Makeevka, "per tant, vam arribar a la necessitat d'utilitzar un motor coet aire-falca". El raig de gas en aquests motors s’ajusta a la pressió “a la mar” i manté l’eficiència tant a la superfície com a l’altura de l’estratosfera.
Fins ara, no hi ha cap motor de funcionament d’aquest tipus al món, tot i que s’han tractat i s’estan tractant tant al nostre país com als EUA. Als anys seixanta, els enginyers de Rocketdyne van provar aquests motors en un suport, però no van arribar a la instal·lació en míssils. CROWN hauria d’estar equipat amb una versió modular, en què el broquet aire-falca és l’únic element que encara no té prototip i no ha estat provat. També hi ha totes les tecnologies per a la producció de peces compostes a Rússia: s’han desenvolupat i s’utilitzen amb èxit, per exemple, a l’Institut Rus de Materials d’Aviació (VIAM) i a OJSC “Kompozit”.
Ajust vertical
En volar a l’atmosfera, l’estructura de plàstic reforçat amb fibra de carboni de la CORONA es cobrirà amb rajoles de protecció tèrmica desenvolupades per VIAM per als Burans i des de llavors s’han millorat notablement."La principal càrrega de calor del nostre coet es concentra al seu" nas ", on s'utilitzen elements de protecció tèrmica a alta temperatura", expliquen els dissenyadors. - En aquest cas, els costats en expansió del coet tenen un diàmetre més gran i tenen un angle agut respecte al flux d’aire. La seva càrrega tèrmica és menor, cosa que permet l’ús de materials més lleugers. Com a resultat, hem estalviat més d’1,5 tones. La massa de la part d’alta temperatura no supera el 6% de la massa total de la protecció tèrmica. En comparació, representa més del 20% dels transbordadors ".
L’elegant disseny cònic dels suports és el resultat d’innombrables proves i errors. Segons els desenvolupadors, si només es prenen les característiques clau d'un possible operador reutilitzable d'una sola etapa, haurà de tenir en compte unes 16.000 combinacions d'elles. Centenars d'ells van ser apreciats pels dissenyadors mentre treballaven en el projecte. "Vam decidir abandonar les ales, com al Buran o al transbordador espacial", diuen. - En general, a l’atmosfera superior, només interfereixen amb les naus espacials. Aquests vaixells entren a l'atmosfera a una velocitat hipersònica no millor que un "ferro", i només a velocitat supersònica canvien a vol horitzontal i poden confiar adequadament en l'aerodinàmica de les ales."
La forma de con aximètric no només permet una protecció tèrmica més fàcil, sinó que també té una bona aerodinàmica en conduir a velocitats molt altes. Ja a les capes superiors de l’atmosfera, el coet rep un aixecament que li permet no només frenar aquí, sinó també maniobrar. Això, al seu torn, permet fer les maniobres necessàries a gran altitud, en direcció al lloc d’aterratge i, en el futur vol, només queda completar la frenada, corregir el rumb i girar a popa avall, mitjançant motors de maniobra febles.
Recordem tant el Falcon 9 com el New Shepard: avui no hi ha res impossible ni tan sols inusual en l’aterratge vertical. Al mateix temps, permet superar-se amb força menys forces durant la construcció i operació de la pista; la pista on van aterrar els mateixos transbordadors i Buran havia de tenir una longitud de diversos quilòmetres per frenar el vehicle a una velocitat de centenars de quilòmetres per hora. "La CORONA, en principi, fins i tot pot enlairar-se d'una plataforma offshore i aterrar-hi", afegeix un dels autors del projecte, "la precisió final de l'aterratge serà d'uns 10 m, el coet es redueix als amortidors pneumàtics retràctils ". Només queda dur a terme diagnòstics, repostar combustible, col·locar una nova càrrega útil i tornar a volar.
KORONA encara s’està implementant en absència de finançament, de manera que els desenvolupadors del Makeev Design Bureau van aconseguir arribar només a les fases finals del projecte de disseny. “Hem passat aquesta etapa gairebé totalment i totalment de forma independent, sense suport extern. Ja hem fet tot el que es podria fer - diuen els dissenyadors. - Sabem què, on i quan s’ha de produir. Ara hem de passar al disseny pràctic, producció i desenvolupament d'unitats clau, i això requereix diners, de manera que ara tot depèn d'elles.
Inici retardat
El coet CFRP només espera un llançament a gran escala; després de rebre el suport necessari, els dissenyadors estaran preparats per començar les proves de vol d'aquí a sis anys i, de set a vuit anys, a iniciar l'operació experimental dels primers míssils. Calculen que això requereix menys de 2.000 milions de dòlars, no gaire segons els estàndards dels coets. Al mateix temps, es pot esperar un retorn de la inversió després de set anys d’ús del coet, si el nombre de llançaments comercials es manté al nivell actual, o fins i tot en 1,5 anys, si creix als ritmes previstos.
A més, la presència de motors de maniobra, de trobada i d’acoblament al coet també permet comptar amb complexos esquemes de llançament de diversos llançaments. Després d’haver gastat combustible no per aterrar, sinó per acabar la càrrega útil, és possible portar-lo a una massa superior a les 11 tones. Aleshores, la CORONA atracarà amb el segon "cisterna", que omplirà els seus tancs de combustible addicional necessari per a la devolució. Però, encara més, és molt més important la reutilització, que per primera vegada ens alliberarà de la necessitat de recollir els mitjans abans de cada llançament i de perdre’ls després de cada llançament. Només aquest enfocament pot assegurar la creació d’un flux de trànsit estable i bidireccional entre la Terra i l’òrbita i, al mateix temps, el començament d’una explotació real, activa i a gran escala de l’espai proper a la Terra.
Mentrestant, la CORONA es manté al llimbe i el treball a New Shepard continua. També s'està desenvolupant un projecte japonès similar RVT. És possible que els desenvolupadors russos simplement no tinguin prou suport per a un avanç. Si us queden un parell de milers de milions, és una inversió molt millor que fins i tot el iot més gran i luxós del món.
