Huvitav

Korduvkasutatavad kosmoselennukid läbi aegade

Korduvkasutatavad kosmoselennukid läbi aegade

Mis puutub sellesse, siis kosmoseuuringud on päris kallis! Kanderakettide ehitamise ja hooldamise kulud on piisavalt halvad, kuid kui arvestate kütusekulusid, muutub see täiesti ülemääraseks. Pole ime, miks kuni viimase ajani suutsid seda teha ainult föderaalsed kosmoseagentuurid.

Sellega seotud kulude vähendamiseks ja kosmoseuuringute kättesaadavamaks muutmiseks otsivad kogu maailma kosmoseagentuurid taaskasutatavaid kosmoseaparaate. Sarnaselt korduvkasutatavate rakettidega, mida jälitavad sellised kosmosetööstusettevõtted nagu SpaceX ja Blue Origin, peaksid kosmoselennukid vähendama kosmosesse mineku kulusid plahvatuslikult.

SEOTUD: HIINA KORDUVKASUTATAVA KOSMOSKINDLUSE RIVALISKOSMOSE X KÄIVITAMINE 2020. aastaks

Tõsi, see pole täiesti uus kontseptsioon. Kosmoseaja koidikust alates on raamatutel olnud korduvkasutatavate kosmoselennukite kujundused. Kuid alles pärast Apollo ajastu sulgemist on järgitud neid ja muid mõisteid - peamiselt vajadusest.

Ja kui käes on uuendatud kosmoseuuringute ajastu, valitakse paljud vanad ideed üles, pühitakse tolmust maha ja hinnatakse tänapäevaseks kasutamiseks ümber. Heidame pilgu idee ajaloole ja kuhu see meid viia võib.

Varased mõisted

Nagu kõik muu, mis on seotud kosmoseuuringutega, algas ka korduvkasutatavate kosmosesõidukite ajalugu vahetult pärast II maailmasõda. Sel ajal olid Ameerika Ühendriigid ja Nõukogude Liit suletud konkurentsi- ja ühekordsesse olukorda, mis kestis peaaegu viis aastakümmet.

Mõlemad olid Saksamaa enda valdusesse võtnud ja mõlemal oli seetõttu palju tehnikat ja asjatundlikkust. See hõlmas reaktiivmootori ja raketisõidu edusamme, mida mõlemad pooled püüdsid võimendada, et saavutada teise ees eelis.

Lisaks lennukite uute kiirusrekordite püstitamisele soovisid USA ja Nõukogude võim orbiidile saata nii kunstlikke satelliite kui ka meeskonnaga kosmoseaparaate. Lõppeesmärk ei olnud mitte ainult tõestada oma majanduse paremust, vaid vältida sõjaliselt ebasoodsasse olukorda sattumist.

Ülehelikiirus:

Kohe pärast II maailmasõda hakkasid Nõukogude ja Ameerika teadlased katsetama raketil töötavaid lennukeid. Paljudes aspektides oli see jätk sõja ajal Saksamaa korraldatud katsetele.

Õhul valitsevate ülekaalukate koefitsientide ees tehti Saksa teadlastele ülesandeks uurida muid tõukejõude, et luua hävitajate ja pommituslennukid, mis oleksid kõrgemad kõigest, mida liitlased suudavad kogeda. Lisaks reaktiivmootoritele testiti ulatuslikult ka rakette.

Viimase jaoks näisid sõjalised rakendused olevat piiratud. Raketilennukitega oli õhusõidul raske manööverdada ning õhkutõusmist ja maandumist oli pilootidel väga raske sooritada. Kuid kui asi puudutas kiirust, siis olid nad võrratud.

Sel põhjusel katsetasid Ameerika ja Nõukogude lennundusinsenerid edukalt mitmete korduvkasutatavate lennukitega, mis olid võimelised saavutama varem ennekuulmatuid kõrgusi ja kiirusi. Need aitasid sillutada teed orbitaalsete kosmoseaparaatide ja kaatrite poole.

Näidete hulka kuuluvad Kell X-1, katselennuk, mille on välja töötanud riiklik aeronautika nõuandekomitee (NASA eelkäija NACA), USA armee õhujõud ja USA õhujõud (USAF).

14. oktoobril 1947 lendas see lennuk oma viiekümnenda sorti ja seda juhtis legendaarne katselend kapten Charles "Chuck" Yeager. Sellel sorti, X-1 sai esimeseks lennukiks, mille kiirus oli 1100 km / h (700 miili tunnis).

Teisisõnu, Yeager and the X-1 sai esimene piloot ja lennuk, kes murdis helibarjääri (Mach 1). Järgnevatel aastatel murduks helitõke kordades rohkem X-1 ja muud kujunduse variandid.

Külma sõja tipp

1950. aastate lõpuks ja kogu 1960. aastatel jõudis eksperimentaalsete õhusõidukite ja kosmosesõidukite arendamine tippu. See kajastas edusamme, mida tehti vastavate USA ja Nõukogude kosmoseprogrammidega, kes mõlemad jälitasid rakette ja kosmoseaparaate, mis võiksid Kuule jõuda.

Selles ajaloolises kontekstis oli Põhja-Ameerika X-15 disain hakkas läbi viima katselende, mis lõpuks tipnesid lennuki kiirusega kuni Mach 6,7 (8270 km / h; 5140 miili tunnis) ja kõrgused üle 100 km (66 miili).

Aastatel 1957–1963 uurisid USAF ja Boeing ka sõjalise kosmoselennuki loomist, mis oleks võimeline läbi viima kõike alates luure- ja päästeoperatsioonidest kuni satelliidi hoolduse ja sabotaažini.

Tulemuseks oli X-20 dünaamiline hüppeline (Dyna-Soar), ühepiloodiline kosmoseaparaat, mille ühe astmelise raketi abil kosmosesse lastakse ja mis siis omal jõul maandub lennurajal. Ehkki programmist loobutakse just ehituse alustamise ajal, teavitab disain tulevasi kontseptsioone nagu Unistustepüüdja (vt allpool).

1965. aastal alustasid nõukogude võim eksperimentaalsete reisijate orbiidilennukite (EPOS) programmi kaudu ka korduvkasutatava kosmoselennuki kallal, mida tuntakse ka kui "spiraali". See viis lõpuks Mikojan-Gurevich MiG-105, meeskonnaga horisontaalse stardi ja maandumise (HOTOL) kosmoselennuk.

Projekt peatati 1969. aastal, kuid jätkati 1974. aastal vastusena USA kosmosesüstiku programmile. Esimene katselend viidi läbi 1976. aastal ja kokku tehti kaheksa lendu kuni 1978. aastani, kui EPOS Burani programmi kasuks tühistati (vt allpool).

Kosmosesüstikute ajastu

1970-ndate aastate alguseks sundis muutuv eelarvekeskkond ja "Kosmosevõistluse" lõpp nii NASA kui ka Nõukogude Liitu uurima võimalusi, kuidas vähendada kosmosesõidukite kaasnevaid kulusid. Sellest punktist kuni 21. sajandi teise kümnendini töötati lõpuks välja korduvkasutatavate kosmoselennukite varasemad kujundused.

Ameerika Ühendriikide jaoks on selle tulemuseks Kosmosesüstikute programm, mis kestis 1983. aastast ja lõppes ülejäänud kosmosesüstikute pensionile jäämisega 2011. aastal. Ametlikult oli programm tuntud kui kosmosetranspordisüsteem (STS) ja see põhines 1969. aastal koostatud korduvkasutatavate kosmoseaparaatide plaanidel.

Süsteem, mis koosneb korduvkasutatavast orbiidisõidukist, mis viiakse kosmosesse kahe tahkekütuse raketi ja välise kütusepaagiga. Kosmosesüstiku laevastik koosnes kuuest orbiidisõidukist, nimeks Kosmosesüstik Atlantis, Columbia, väljakutsuja, avastamine, ettevõtmineja Ettevõtlus.

Kosmosesüstiku laevastik alustas operatiivlende 1982. aastal (koos kosmosesüstikuga Columbia) ja sooritas kokku 135 lendu, viimase tegi Space Shuttle Atlantis on 2011.

Muu hulgas hõlmasid need missioonid kosmosesüstikut satelliitide, Hubble'i kosmoseteleskoopning abistamine Nõukogude / Venemaa kosmosejaama ehitamisel Mir. 15 teenistusaasta jooksul kaotati kaks süstikut - Väljakutsuja aastal 1986 ja Columbia aastal 2003.

Samal perioodil töötasid Nõukogude kosmosesüstiku programmile vastuseks välja oma korduvkasutatava kosmosesõidukite süsteemi. Tuntud kui Buran, koosnes see süsteem orbitaalsest sõidukist - mis oli disainilt väga sarnane kosmosesüstikule - ja Energia stardisüsteem - tühjendatav kütusepaak kuni nelja tahkekütuse võimendiga

Programm kestis ametlikult aastatel 1974–1993 ja koosnes ainult ühest proovilennust. Programm tühistati Nõukogude Liidu lagunemise tõttu rahastamise puudumise tõttu ja prototüübid jäeti pensionile, millest enamik on osa muuseumieksponaatidest.

Kaasaegsed kosmoselennukid

Kui kosmosesüstiku programmi pensionile jäämine tähistas ajastu lõppu, on sellest ja teistest kavanditest saadud õppetunnid andnud teada uue põlvkonna kosmoselennukite loomisest. Samal ajal on ärilise lennundustööstuse tõus toonud kaasa ka palju uuendusi.

Lisaks korduvkasutatavate rakettide kasutamisele (nagu näiteks SpaceX-id) Falcon 9, Falcon Heavy kosmoselennukid) on kosmoselennukid veel üks viis, kuidas NewSpace'i tööstus soovib muuta kosmoseuuringud kulutõhusamaks ja kättesaadavamaks.

Näiteks NASA Langley uurimiskeskuse jõupingutused horisontaalse maandumise (HL) kontseptsioonidega 1960. ja 1970. aastatel on realiseeritud korduvkasutatava kosmoselennuki HL-42, tuntud ka kui Unistustepüüdja. Kujundus sarnaneb orbiidil Space Shuttle, kuid on palju väiksem ja kergem.

Järgnevatel aastatel kasutatakse seda kosmoselennukit meeskonna ja lasti saatmiseks madala maa orbiidile (LEO) ja ISS-i. See käivitatakse ULA raketi Vulcan Centaur abil ja see saab maanduda rajal omal jõul. Kosmoseaparaadi arendamine on graafikus ja esimene lend peaks toimuma 2021. aastal.

Seal on ka Boeing X-37B - aka. Orbital Test Vehicle (OTV) - mis algas NASA projektina 1999. aastal, kuid viidi 2004. aastal üle USA kaitseministeeriumile. See korduvkasutatav robot-kosmoseaparaat on võimeline pikaajalisteks lendudeks salastatud eesmärkidel, olles samal ajal ka demonstrant. autonoomsed ja korduvkasutatavad kosmosetehnoloogiad.

Esimene test (kukutamiskatse) toimus 2006. aastal ja alates sellest ajast on olnud viis pikema kestusega orbiidilähetust. Sarnaselt teistele kosmoselennukitele saadetakse OTV raketi abil kosmosesse ja siseneb uuesti Maa atmosfääri ning maandub oma jõu all.

Ärisfääris SpaceShipOnetähistab korduvkasutatava kosmoselennukite tehnoloogia säravat näidet. Lennundus- ja kosmosetööstusettevõte Scaled Composites alustas lennukiga tööd 1994. aastal ning esimene edukas meeskonnalend viidi läbi 2004. aastal - selle eest anti talle 10 miljoni USA dollari suurune Ansari X auhind.

SpaceShipOne teerajaja õhus lendavate rakettmootoriga õhusõidukite kontseptsioonil, mis suudaks läbi viia orbiidi all kosmoselende. See tähendab, et kandelennuk ("Valge rüütel") viiakse rakenduskõrgusele, vabastatakse ja lülitatakse sisse oma mootorid, seejärel libistatakse koju.

Kasutades hübriidraketimootorit, SpaceShipOne suutis saavutada kiiruse kuni 900 m / s (3240 km / h; 2013 mph) samal ajal kui tiivad ja sabapoomid on võimelised "suletama" - reguleerides nende nurka -, et aidata kontrollitud maandumisel.

Disaini laiendataks ehitamisega KosmoselaevKaks. Selle suborbitaalse kosmoselaeva ehitas Virgin Galacticu tütarettevõte The Spaceship Company (mis omandas Scaled Composites 2012. aastal).

Koos White Knight Two'ga käivitatakse see kosmoseaparaat sarnaselt õhus ning kasutab hübriidrakettmootorit ja sulelisi tiibu, et saavutada suborbitaalseid lende ja kontrollitud maandumisi. Alates 2018. aastast KosmoselaevKaks on edukalt läbi viinud oma esimese kosmoselennu ning eeldatavasti kasutatakse seda järgmisel kümnendil lasti- ja kosmoseturismi sõidukina.

Tuleviku kosmoselennukid

Isegi põnevam kui praegune põlvkond kosmoselennukeid, mis teenindusse tulevad, on plaanitavad. Sarnaselt uudsete ideedega, mida me täna näeme, töötavad neid tulevasi kosmoselennukeid välja nii eratööstus kui ka riiklikud kosmoseagentuurid.

See peegeldab NewSpace'i tööstuse kasvavat kohalolekut kosmoseuuringutes ning ka uute kosmoseriikide nagu Hiina, India ja Euroopa Liit kasvavat kohalolekut.

Kosmos Korduvkasutatav integreeritud meeleavaldaja Euroopa tagasipöördumiseks (Space RIDER), lahti keeratud orbiidi kosmoselennuk, mis pakuks LEO-le odavaid missioone. Projekt kiideti heaks 2016. aastal ja eeldatavasti korraldatakse 2022. aastaks kaks kuud pikk missioon.

Sellele järgneb mitu missiooni, mis demonstreerivad erinevaid võimalusi ja orbiite. Aastaks 2025 loodab ESA erastada Space RIDER ja viia kosmoseaparaadi operatiivjuhtimise üle Arianespace'ile.

Hiina, mis on sajandivahetusest alates omaette kosmoseriigina esile kerkinud, jätkab kosmoselennukitega ka järgmise põlvkonna uuendusi. 1992. aastal hakati Hiina meeskonnaga kosmoselendude projekti 921 raames kaaluma korduvkasutatavate kosmosesõidukite kavandeid.

Kontseptsioon sarnaneb X-37B-ga, kus kosmoselennuki laseks kosmosesse raketivõimendi (või võib-olla ka maglevi induktor). Aastaks 2007 hakkasid Shenlongi kosmoselennuk (Hiina keeles "Divine Dragon") testimisel ja arvatakse, et esimene suborbitaalne lend on toimunud 2011. aastaks.

Erasektoris järgitakse mõnda väga muljetavaldavat kontseptsiooni. Näiteks on seal SpaceX-id Tähelaev, üliraske korduvkasutatav kosmoseaparaat, mis on omane Elon Muski nägemusele kommertsmissioonide korraldamisest LEO-le, Kuule ja isegi Marsile (pikaajalise eesmärgiga rajada sinna koloonia).

Idee avalikustati esmakordselt 2013. aastal ja Musk nimetas seda kui "Marsi koloniaaltransportijat (MCT). Järgnevate aastate jooksul see kontseptsioon areneb ja muutub üksikasjalikumaks ning toimub mitu nimemuutust.

2016. aastal avaldati kosmoseaparaadi jaoks oluliselt üksikasjalikum plaan, mis oli nüüd tuntud kui planeetidevaheline transpordisüsteem (ITS). 2018. aastaks muutis projekt uuesti nimesid, saades selleks BFR, ja disain sai uuendatud oluliselt.

Praeguse iteratsiooni põhjal koosneb stardisüsteem teise astme orbitaalsest kosmoseaparaadist ( Tähelaev) ja esimese etapi rakett (Üliraske). Pärast kosmosesse saatmist ja orbiidi tankimist sõidab Tähelaev süvakosmosesse.

Sihtkohta jõudes Tähelaev tugineb kontrollitud maandumisel manööverdusuimedele ja oma mootoritele. Selle mootorid tagavad ka vajaliku tõukejõu tagasiteeks koju, kus see sama protsessi abil uuesti maandub. Süsteem on täielikult taaskasutatav ja see on kõige raskem käivitussüsteem, mis eales loodud.

Pärast mitmete "hüppekatsete" läbiviimist mõõtkavas prototüübi (Starship Hopper) abil lõpetati täismõõdulise orbiidi testsõidukiga ehitus. Tuntud kui Tähelaev Mk.1, see prototüüp avalikustati 28. septembril pressikonverentsil SpaceXi rajatisena Texases Boca Chica lähedal.

Eeldatakse, et SpaceX teeb Mk.1 esimese orbiidilennu millalgi järgmisel aastal. Lend ümber Kuu, kasutades kogu opsüsteemi, on praegu kavandatud aastaks 2023. Musk on samuti märkinud, et loodab saata esimesed meeskonnaga missioonid Kuule ja Marsile 2020. aastate keskpaigast kuni lõpuni.

Selle korduvkasutatava kosmoselennuki eeliseks on HOTOLi kontseptsioon, mis ei vaja kosmosesse saatmiseks kulutatavat võimendit.

Võti Skylon kosmoselennuk on mootor SABER, õhk-hingetõukuratas, mis töötab vesiniku / hapniku kütusega. Põhimõtteliselt tsirkuleerivad mootorid reaktiivturbiinide kasutamise kaudu atmosfäärist hapniku sissevõtmiseks ja vedelkütuse (LOX) kasutamisest pärast orbiidile jõudmist.

See võimaldab tal kasutada õhusõiduki õhkutõusmiseks ja maandumiseks ning raketiliikumiseks LEO saavutamiseks vajalike hüperhelikiiruste saavutamist.

India kosmoseuuringute organisatsioon (ISRO) hakkas 2016. aastal välja töötama ja katsetama kaaskasutussüsteemi, mida tuntakse kui korduvkasutatav kanderakett (RLV) - kaheetapiline orbiidile süsteem, mis koosneb stardiraketist ja korduvkasutatavast kosmoselennukist.

Kontseptsioonilt sarnaselt mootoriga SABER loodetakse, et kosmoselennuk toetub nii õhku hingavatele kui ka raketimootoritele. Need võiksid lubada kosmoselennukil enda ümber tiirleda, selle asemel et tugineda kulutatavale võimendile.

Ja alates 2018. aastast hakkas Jaapani Aerospace Exploration Agency (JAXA) töötama oma Winged Reusable Sounding (WIRES) raketiga. Praegu pole selge, kas see sõiduk on taastatav esimese etapi või meeskonnaga kosmoselennuk. Kuid WIRESi profiil muutub arenduse jätkudes tõenäoliselt üksikasjalikumaks.

Viimane, kuid mitte vähem oluline on ka XS-1 (aka. "Phantom Express"), projekti, mida praegu paigaldavad Boeing ja DARPA - viimase osana eksperimentaalsest kosmosesõidukist (XS).

Kosmoselennuk töötab Aerojet Rocketdyne (AR-22) mootoritega ja jõuab orbiidile. Kasulikud koormad tarnitakse kas lastiruumi või (satelliitide või kosmosesõidukite puhul) väliselt paigaldatud raketi kaudu. Selles osas vähendab see kulusid, ühendades korduvkasutatavuse üheastmelise orbiidile (SSTO) võimalusega.

Kõiki neid praeguseid ja tulevasi kontseptsioone (ja nende arengulugu) vaadates selgub teatud muster. Kosmoseajastu algusest peale on missioonide planeerijad ja insenerid mänginud korduvkasutatavate kosmoselennukite ideega.

Sel ajal jäid ideed kõrvale kulutatavate ruumikapslite ja raskete võimendite kasuks, mida oleks võimalik kiiremini toota ja mis ei vajaks sama hooldustaset. Kuna varases kosmoseajas oli tegemist kõigepealt "sinna jõudmisega", eelistati loomulikult kosmoseaparaate, mida oleks võimalik kiiremini toota ja kasutusele võtta.

Kui aga Kuu maandumine toimus ja kosmosevõistlus hakkas jahtuma, said kosmoselennukid missioonide planeerijate lemmikuks, kes soovisid kulusid kärpida ja luua jätkusuutlikku inimese kohalolekut kosmoses.

Täna, peaaegu seitse aastakümmet hiljem, saame lõpuks aru nende potentsiaalist. Lisaks korduvkasutatavate komponentide kasutamisel odavamate turule laskmise kulude pakkumisele pakuvad need ka paindlikkust, mida kulutatavad süütevõimendid seda ei tee.

Nagu kosmosesüstik demonstreeris, saavad kosmoselennukid orbiidile toimetada satelliite ja kasulikke koormusi, teha seal elutähtsaid katseid ja uuringuid ning transportida meeskondi kosmosesse ja tuua nad uuesti koju. Kuigi nende kosmoselennukite orbiidile viimine maksab endiselt üsna senti, muutub see kiiresti.

Tõukejõu ja hübriidmootori tehnoloogia edusammude abil võime veel luua SSTO kosmoselennukid, mis suudavad seda kõike!

  • Vikipeedia - kosmoselennuk
  • NASA - kosmosesüstikute programm
  • PBS / NOVA - "Kiirem kui heli"
  • NASA - kosmosesüstiku ajalugu
  • NASA - kosmoselennu etapi seadmine
  • NASA - X-Plane'i programmi ajalugu
  • Vene kosmosevõrk - Burani korduvkasutatav süstik
  • Smithsoniani riiklik õhu- ja kosmosemuuseum - Põhja-Ameerika X-15


Vaata videot: Lets not use Mars as a backup planet. Lucianne Walkowicz (Mai 2021).