أعتقد أن كل من يتحدث عن الصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام مستوحى بشكل أساسي من الطائرات. تطير هذه الآلات المجنحة بنشاط ، وهي موثوقة للغاية ولديها موارد هائلة. وعلى عكس الصواريخ ، يمكنك بسهولة شراء تذكرة والطيران أينما ذهبت. لذلك ، يرسم العديد من كتاب الخيال العلمي وصانعي الأفلام ومهندسي التصميم طائرة أو صاروخًا بجناح كصاروخ قابل لإعادة الاستخدام ، حيث تهبط المرحلة الأولى على الأقل على الفضاء على طول الطائرة. هذا نهج كلاسيكي ، حيث يحاول الجميع البناء على ما تم تحقيقه إلى أقصى حد. دعنا نحاول معرفة ما تحتاجه الصواريخ للعودة سالمًا وسليمًا.
دخول الجو
لكي تضع مركبة الإطلاق القمر الصناعي في المدار ، يجب إخبار القمر الصناعي (والمرحلة الأخيرة) بسرعة في المنطقة تبلغ 7800 م / ث. لفهم هذا ، تحتاج إلى ترتيب الأرقام وليس القيم الدقيقة. في الوقت نفسه ، تطور المرحلة الأولى ، اعتمادًا على تكوين مركبة الإطلاق ، سرعة في المنطقة من 1600 إلى 3800 م / ث. لذلك ، عند العودة إلى الأرض ، تدخل وحدة الصاروخ الغلاف الجوي بنفس السرعة التي انفصلت بها تقريبًا. يمكن القول أن هذا هو شروطنا الأولية. عند دخولها الغلاف الجوي ، تتعرض وحدة الصاروخ لمقاومة الغلاف الجوي ، مما يؤدي إلى إجهاد ميكانيكي وحرارة. تتناسب الأحمال الميكانيكية (الرأس عالي السرعة) مع مربع السرعة ، والتدفئة (تدفق الحرارة) مع مكعب السرعة. في هذه الحالة ، يتناسب كل من رأس السرعة وتدفق الحرارة طرديًا مع كثافة الغلاف الجوي. هذه هي أهم العلاقاتالتي تحدد طريقة دخول الغلاف الجوي والطيران فيه. وإذا تم استخدام نهج بسيط للتعويض عن الأحمال المتزايدة - زيادة في كتلة الهيكل ، فلا يمكن تعويض تدفقات الحرارة المتزايدة بهذه الطريقة. يتم تحديد التدفقات الحرارية التي يمكن أن يراها الهيكل لكل وحدة زمنية بشكل فريد من خلال المواد المستخدمة للهيكل أو سطحه الخارجي. عند السرعات العالية ، تذوب مواد البناء التقليدية ببساطة. لكنهم وجدوا طريقة للخروج من هذا الوضع. على سبيل المثال ، يتم استخدام الحماية الحرارية من الاجتثاث بشكل نشط للمركبات الفضائية التي تعود إلى الهبوط والعودة.يتم تحديدها بشكل فريد من خلال المواد المستخدمة للهيكل أو سطحه الخارجي. عند السرعات العالية ، تذوب مواد البناء التقليدية ببساطة. لكنهم وجدوا طريقة للخروج من هذا الوضع. على سبيل المثال ، يتم استخدام الحماية الحرارية من الاجتثاث بشكل نشط للمركبات الفضائية التي تعود إلى الهبوط والعودة.يتم تحديدها بشكل فريد من خلال المواد المستخدمة للهيكل أو سطحه الخارجي. عند السرعات العالية ، تذوب مواد البناء التقليدية ببساطة. لكنهم وجدوا طريقة للخروج من هذا الوضع. على سبيل المثال ، يتم استخدام الحماية الحرارية من الاجتثاث بشكل نشط للمركبات الفضائية التي تعود إلى الهبوط والعودة.
مركبة الهبوط من نوع سويوز بعد هبوط
وحدة قيادة أبولو بعد الهبوط
. تظهر الصور أن الدرع الواقي من الحرارة قد احترق وحمل بعيدًا. هذه هي خصائصه الرئيسية - لتجميع الطاقة والابتعاد. إنه مشابه جدًا للماء ، الذي يحافظ على درجة حرارة محددة بدقة بسبب الغليان والتبخر. لكن هذه ليست تقنية قابلة لإعادة الاستخدام على الإطلاق. مواد الحماية من الحرارة هذه باهظة الثمن وتزن كثيرًا وتحتاج إلى استعادتها أو تغييرها بعد كل رحلة. حتى أن VA TKS ابتكرت تقنية استعادة الحماية الحرارية الجرّية بعد "التبخر". لكن تبين أن هذه التكنولوجيا باهظة الثمن ولعدة أسباب لم تذهب أبعد من ذلك.
في الولايات المتحدة ، من أجل مكوك الفضاء ، ولاحقًا في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، بالنسبة لمركبة بوران الفضائية ، تم تطوير مواد واقية من الحرارة من الكربون والسيليكون ، والتي كان من المفترض أن تضمن انخفاض الوزن وقابلية إعادة الاستخدام.
طلاء عازل للحرارة لمركبة الفضاء "بوران"
أصبح هذا ممكنًا باستخدام شكل طائرة شراعية للمركبات. نظرًا لمساحة السطح الكبيرة لكل وحدة وزن ، أخمدت المركبة جزءًا من السرعة في طبقات الغلاف الجوي المخلوعة ودخلت الطبقات الكثيفة بسرعات منخفضة. وباستخدام الجودة الديناميكية الهوائية عند دخوله الغلاف الجوي ، قام الجهاز بتحويل سرعته الرأسية إلى سرعة أفقية ونتيجة لذلك خفض ارتفاعه تدريجيًا. بفضل هذين العاملين ، كان من الممكن تقليل التدفقات الحرارية لكل وحدة سطح ، والتي ، إلى جانب الإشعاع الحراري الإشعاعي في الفضاء المحيط ، جعلت من الممكن استخدام هذه المواد. بالإضافة إلى ذلك ، أتاح هبوط الانزلاق تقليل الأحمال الميكانيكية والأحمال الزائدة التي تتعرض لها الطائرة الشراعية. في المختبرات ، أظهر بلاط الكربون والكربون والكوارتز نتائج ممتازة.لقد احتوت بشكل فعال على تدفقات الحرارة المطلوبة وإشعاع الحرارة بشكل فعال. نظرًا لانخفاض معامل التوصيل الحراري ، فإن هيكل المركبة الفضائية لم يسخن فوق الحدود المسموح بها واحتفظ بخصائص قوته. ولكن في الواقع ، كانت المواد المستخدمة شديدة الصعوبة للامتثال للعمليات التكنولوجية لتصنيعها وتطبيقها (الإلتصاق). كانت المشكلة الأكثر أهمية هي هشاشة المواد ، والتي لم يتم تقييمها بأي شكل من الأشكال في النماذج الرياضية أثناء التصميم. على سبيل المثال ، تم دفع بلاط الكوارتز بسهولة بإصبع. تم قطع بلاط الكربون الكربوني بسهولة عند الحواف. أيضًا ، عند الطيران في طبقات كثيفة من الغلاف الجوي ، تلقت بلاط الكوارتز تأثير تآكل كبير من جزيئات الغبار ، الأمر الذي تطلب استعادة لاحقة.سقط بعض البلاط ببساطة أثناء العملية. كل هذا أدى إلى حقيقة أن هذا الطلاء الواقي من الحرارة أثناء التشغيل أصبح أغلى بكثير من أنواع الدروع الواقية من الحرارة. حسنًا ، ربما يتذكر الجميع كارثة مكوك الفضاء كولومبيا ، التي حدثت في 1 فبراير 2003 بسبب الأضرار التي لحقت بالحماية الحرارية. بعد الرحلة الأولى (أو الأخيرة) ، تعرضت المركبة الفضائية "بوران" أيضًا لإرهاق خطير في الغلاف الواقي من الحرارة ، والذي لم يكن حرجًا لحسن الحظ.
كيف إذن للتغلب على مشكلة التسخين الحراري؟ وهنا مرة أخرى ، من الضروري أن نتذكر أن تدفقات الحرارة تتناسب مع سرعة المكعب. كما كتبت أعلاه ، يمكن أن تكون سرعة المرحلة الأولى أقل بثلاث مرات من سرعة المرحلة الأخيرة. وهذا يعني أن الكتلة الصاروخية لمسرع المرحلة الأولى عند دخولها الغلاف الجوي يمكن أن تسخن بشكل أقل كثافة بمقدار 27 مرة من الكتلة التي تنزل بسرعة مدارية. أي أننا نحتاج إلى تقليل سرعة جسم يدخل الغلاف الجوي. لسوء الحظ ، نظرًا للشكل الديناميكي الهوائي أو التأثيرات الديناميكية الهوائية ، لن يكون من الممكن تقليل السرعة بشكل جذري. من الضروري إما أن تبطئ ، أو ببساطة لا تكتسب نفس السرعة كما تفعل المرحلة الأولى. أظهرت الحسابات أنه إذا طورت السيارة الانزلاقية سرعة تصل إلى 2500 م / ث ، فإنها لا تعاني من هذه التسخين الكبير ،الأمر الذي يتطلب استخدام مواد خاصة للحماية من الحرارة. في هذه الحالة ، يجب استخدام سبائك التيتانيوم في إنسيابية الجناح وعلى الحواف وفي جميع الأماكن ذات الإجهاد الحراري.
يوصى بالنفخ اللاحق للأجهزة المفصلة لتقليل السرعة بشكل أكبر أو اختيار شكل ديناميكي هوائي يقلل من الإجهاد الحراري للحواف والإنسيابية والأماكن المماثلة. بالنسبة للكتل الصاروخية الكلاسيكية ، تكون قيمة هذه السرعة أقل من ذلك ، لأنها تغرق بشكل مكثف للغاية في الطبقات الكثيفة من الغلاف الجوي. بناءً على نتائج الحسابات والرحلات الحقيقية ، اتضح أن وحدة الصواريخ لا تتطلب حماية خاصة عند سرعات الدخول في منطقة 1200 م / ث. عند السرعات التي تبلغ 1400 م / ث ، يلزم التطبيق المحلي للمواد المقاومة للحرارة الخاصة أو الحماية الحرارية. هنا نرى أن التخفيض المطلوب في سرعة وحدات الصواريخ الكلاسيكية مهم للغاية وأنه من غير الفعال للغاية فصل وحدات الصاروخ بسرعة الطيران هذه. إذن ما هو المخرج؟ وبسيط للغاية - لفرملة المحركات قبل دخول الغلاف الجوي ،لتوفير سرعة دخول في حدود 1200-1400 م / ث. السؤال كله يكمن في الفرق بين سرعات الانفصال والدخول إلى الغلاف الجوي. يمكن تقدير الحاجة إلى الوقود لمثل هذا التباطؤ بدقة باستخدام صيغة Tsiolkovsky ، مضيفًا خسائر الجاذبية في وقت التباطؤ.
هبوط ناعم
استعرضنا هنا بإيجاز مشكلة العودة إلى الغلاف الجوي لوحدات الصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام. والآن ، باختصار حول قضايا الهبوط الناعم ، والتي ستحافظ على الهيكل ، وهو غير محموم وسليم وآمن. لنبدأ بالهيكل المجنح مرة أخرى. ربما ليست هناك حاجة لشرح الكثير. يجب أن يكون الجميع قد شاهدوا الطائرات تهبط. هنا مخطط مشابه ، لكن مع تحذير واحد. نظرًا لأن هذه المركبات ليست طائرات ، فإن سرعة هبوطها الأفقية عالية جدًا ، مما يتطلب ممرات هبوط طويلة وعالية الجودة. في ممر عادي ، كما هو الحال في شيريميتيفو ، من المحتمل أن يتعطل مثل هذا الجهاز. أعتقد أننا قمنا بفرز المركبات المجنحة.
لكن ماذا عن الكتل الصاروخية الكلاسيكية؟ من الضروري التأكد من عدم تلف الهيكل أثناء الهبوط. يمكنك خفض وحدة الصاروخ في الماء برفق ، إما بمساعدة المظلات ، أو عن طريق كبح المحركات.
الداعم العائم للمرحلة الأولى Falcon-9
يبدو أن خيار الهبوط في الماء هذا مفيد للجميع. ولكن هناك مشكلتان ومهام غير قابلة للحل عمليًا. لا تحتوي جميع مركبات الإطلاق على مسارات طيران في المناطق التي تقع فيها الكتل فوق الماء. على سبيل المثال ، عند الإطلاق من قاعدة بايكونور الفضائية ، لا يمكن فعل شيء كهذا على الإطلاق ، من فوستوشني كوزمودروم يمثل مشكلة كبيرة. عند ملامسة مياه البحر ، تبدأ العديد من السبائك والمواد في التحلل بسرعة إلى حد ما. في حد ذاته ، يمكن للمياه أن تعطل وظائف العديد من الأنظمة الميكانيكية والإلكترونية. هناك مشكلة في تجفيف الكتل وتنظيف رواسب الملح. عند ملامستها للماء ، تكون العناصر الهيكلية الساخنة عرضة للتشقق والتأثير المفرط. وفي النهاية ، يضيف الترويج أحمالًا خارجة عن التصميم. بالنظر إلى كل هذه العوامل ، لا يعتبر المتخصصون عادة الهبوط على الماء. وإذا تم النظر فيه ،يتخلون عن هذه الفكرة بسرعة. يبقى أن تهبط وحدة الصاروخ إما على الأرض أو على منصة بحرية.
تضيف المنصة مشاكل في التصويب والانجراف. لكن أنظمة التثبيت الفعالة تجعل منصة وحدة الصواريخ أرضًا جافة عمليًا. على الرغم من أن تطوير أنظمة التثبيت هذه مهمة إضافية ، لكنها قابلة للحل تمامًا.
منصة هبوط سبيس إكس البحرية
بعد ذلك ، عليك أن تقرر طريقة الهبوط. عادة ما يكون أول ما يتم تقديمه هو المظلة. إنه مألوف للجميع ، ومفهوم ومألوف نوعًا ما. تسمح المظلة ، بمناطقها وكتلها المقبولة ، بتقليل سرعة الهبوط إلى حوالي 8-12 م / ث. لكنه لن يكون قادرًا على القيام بهبوط سلس. هذا يتطلب محركات فرامل إضافية وامتصاص الصدمات. يمكن استخدام ممتصات الصدمات فقط. إذا أردنا أن تهبط وحدة صاروخية بحمولة زائدة 2 جرام فقط بمساعدة ممتص الصدمات وبسرعة 8 م / ث ، فمن الأفضل أن تكون ضربة امتصاص الصدمات 1.63 متر. يتناسب سفر الصدمة المطلوب مع مربع معدل الحوض ويتناسب عكسًا مع الحمل الزائد. بالمناسبة ، صيغة الحساب مشتقة بسهولة من قانون الحفاظ على الطاقة. من الضروري فقط مساواة الطاقة الحركية بالإمكانات. لكن دعنا نواصل المظلات.المظلة لها خاصية واحدة سيئة.
لن توفر مظلة المظلة الكلاسيكية هبوطًا دقيقًا. المنصة بها غير مجدية ، وسيسقط الصاروخ على الأرض على رمال أو في غابة. للحفاظ على سلامة وحدة الصاروخ ، يجب أن تهبط بشكل متساوٍ على جميع الدعامات ، سواء كانت رأسية أو جانبية. بعد ذلك لا يجب أن يتدحرج أو يسقط أو يتدحرج. لن يعمل هذا على موقع غير مُجهز وغير مكتمل. يتذكر الكثير كيف أدى النقص في خوارزميات تثبيت البارجة الخاصة بـ SpaceX إلى السقوط اللاحق لوحدة الصاروخ. سيكون هو نفسه على سطح منحني. حتى عند وضعها جانبًا ، فإن وحدة الصواريخ الموجودة على منصة منحنية ستنكسر ببساطة ، كما حدث أثناء اختبارات الوحدات الجانبية لمركبة الإطلاق Energia.
مخطط عودة الوحدة الجانبية لـ LV "Energia" (http://www.buran.ru)
أظهرت اختبارات الكتل المتساقطة أنها تعرضت أثناء الهبوط لأضرار لا تعني استخدامها لاحقًا. لم يأت حتى لاختبار بقية مراحل الرحلة.
مع العلم بذلك ، بدأ المطورون في تقديم مظلات موجهة للأجنحة ، والتي تسمح لك نظريًا بتخفيض الحمل إلى الموقع المحدد. لكن مثل هذه التطورات تصطدم بنقص خوارزميات التحكم في ظل الظروف البيئية المتغيرة بسرعة (الرياح ، العاصفة ، إلخ). الآن SpaceXتختبر بنشاط هذه التقنية لخفض اللوحات الانسيابية. بالإضافة إلى المظلة الموجهة ، يستخدمون سفينة ذات شبكة ضخمة تتحرك باستمرار في محاولة للقبض على الوشاح. حتى وقت قريب ، لم تكن النتائج إيجابية للغاية ، لكنها لم تكن ميؤوسًا منها أيضًا. ومؤخراً ، أصبحت اللوحات الانسيابية عالقة بشكل متزايد في الشبكة.
سفينة SpaceX لالتقاط اللوحات الانسيابية
لحل مشكلة الهبوط الناعم لوحدة الصواريخ بالمظلات ، قام زملائي S.V. أنتونينكو و S.A. Belavsky ، تم اقتراح طائرة هليكوبتر صغيرة لوحدة الصواريخ بالمظلات.
مخطط طائرة هليكوبتر صغيرة لوحدة الصواريخ
ميزة هذا المخطط هي أنك لست مضطرًا للتفكير في موقع مُجهز ولا تحتاج إلى إنفاق كتلة إضافية على أجهزة الهبوط (ممتصات الصدمات). بالإضافة إلى ذلك ، فإن مخطط التقاط الأجسام بالمظلات في العالم متطور جيدًا ولا يثير أي أسئلة كبيرة. إذا كان النقل مطلوبًا في البحر ، فيمكن استخدام المنصات البحرية. يحد هذا المخطط من كتلة وحدة الصاروخ والقدرة الاستيعابية للمروحية. وبالتالي ، فإن أكبر طائرة هليكوبتر في العالم Mi-26 ستكون قادرة على حمل ما لا يزيد عن 16 طنًا. وتملك صواريخ عائلة "أنجارا" وحدة صاروخية تزن حوالي 11 طناً ، فيما تزن وحدة الصواريخ من مركبة الإطلاق فالكون 9 23 طناً.
أعتقد أننا انتهينا من المظلات. كيف يمكنك الاستغناء عن المظلات؟ لهذا ، يمكن استخدام المحركات التي تعمل على كبح وحدة الصاروخ قبل الهبوط بسرعات تتراوح من 1-2 م / ث. من الصعب الهبوط بشكل أكثر دقة ، لكن في المستقبل أعتقد أنه يمكننا التحدث عن 0.5 م / ث وما دون. يجب ترطيب الفتات الأخيرة بامتصاص الصدمات الصغيرة. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن هذا المخطط يتطلب الهبوط في موقع مُجهز والتوجيه الصحيح لوحدة الصاروخ عند إصدار دفعة الكبح. أي أننا بحاجة إلى ضوابط واستقرار. في هذه المرحلة من تطوير التكنولوجيا ، لا تمثل أنظمة التحكم هذه أي مشاكل معينة. خوارزميات التحكم والتوجيه والهبوط قابلة أيضًا للإنشاء والتطوير. وأصبحت أدوات التحكم في شكل محركات نفاثة تعمل بالغاز والدفات الديناميكية الهوائية كلاسيكية بالفعل.تم تطوير ممتصات صدمات الهبوط بشكل جيد اليوم وتم تطويرها في نسختين على الأقل ، من(سبيس اكس) و الأزرق المنشأ . أيضًا ، مع طريقة الهبوط هذه ، هناك مهام لتخميد المكونات الأفقية للسرعة والسرعات الزاوية. لكن كل هذا أيضًا قابل للحل بل وقد تم تنفيذه جيدًا.
هبوط الكتل الجانبية Falcon Heavy LV
نرى أن مخطط الهبوط (الهبوط) هذا قد تم تطويره جيدًا بالفعل ولا يخفي مشاكل غير قابلة للحل.
ليس في أي مكان
ربما يتعلق الأمر بأساليب الهبوط. ولكن كيف تجد نفسك في منطقة معينة أو في موقع معدة؟ الطائرات الانزلاقية ذات الجناح ، نظرًا للجودة الديناميكية الهوائية ، كما كتبت سابقًا ، تقوم بتحويل السرعة العمودية إلى السرعة الأفقية بشكل جيد. لذلك ، غالبًا ما يصلون إلى مدرج الهبوط بمفردهم. وإذا لم يكن نطاق الطيران كافياً ، فسيتم استخدام محركات طائرات نفاثة إضافية.
لا تتمتع الكتل الصاروخية في المخططات الكلاسيكية بفرصة كبيرة لضبط النطاق عن طريق تثبيت الدفات الديناميكية الهوائية. يمكنهم أيضًا إجراء تعديلات على النطاق عند استخدام نبضات الكبح لتقليل تدفقات الحرارة. لكن في كثير من الأحيان قد لا تكون هذه النطاقات كافية. دعونا نلقي نظرة على المخطط الأكثر جاذبية من الناحية اللوجستية ، عندما تعود وحدات الصاروخ إلى مركز الفضاء ولا تحتاج إلى نقل إضافي عبر مسافات كبيرة. لذلك ، لتنفيذ المخطط مع العودة إلى نقطة البداية ، بعد فصل وحدة الصواريخ ، يتم استخدام تنشيط إضافي لمحرك الصاروخ. في هذه الحالة ، يكون المحرك موجهًا لتقليل سرعة الطيران في نفس الوقت وضبط سرعة العودة إلى موقع الهبوط.
الميزة الرئيسية لمثل هذا الدافع التصحيحي هي أنه بعد ذلك ، تقوم وحدة الصاروخ بتعديل النطاق الرئيسي أثناء التحرك عمليًا في الفضاء الخالي من الهواء. يمكن استخدام مثل هذا الدافع ليس فقط للعودة إلى الفضاء ، ولكن أيضًا للهبوط على أي موقع تقريبًا.
مخطط طيران Falcon-9
بالنسبة لوحدات الصواريخ ذات المظلات ، من الممكن أيضًا استخدام مجموعات من النبضات التصحيحية والفرملة لمحركات الصواريخ ، من بين أمور أخرى ، بالإضافة إلى التحكم في الدفات الديناميكية الهوائية. ولكن يجب ألا يغيب عن البال أن المظلة ستظل تتعرض لخطأ عشوائي يصل إلى عدة كيلومترات أثناء تشغيلها. كتبت عن جناح المظلة المتحكم فيه.
خاتمة
لذلك قمت بفحص جميع مراحل طيران وحدات الصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام وحاولت أن أشرح بطريقة يسهل الوصول إليها ما الذي يجب القيام به ولماذا في هذه المراحل حتى تعود وحدة الصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام بأمان وسليمة. في الواقع ، بالطبع ، هناك العديد من الأسئلة والفروق الدقيقة ، لكن الأسئلة التي نظرت فيها هي الأسئلة الرئيسية والحاسمة للمخطط المستقبلي لوحدة صاروخية قابلة لإعادة الاستخدام. دعونا نلخص مخططات تنفيذ كتل الصواريخ القابلة لإعادة الاستخدام. أهمها في رأيي هي:
- كتلة مجنحة مع هبوط أفقي للطائرات.
- صاروخ هبوط ديناميكي.
- طائرة هليكوبتر صغيرة لوحدات صاروخية تنزل بالمظلات.
هذه هي المخططات الأكثر تنفيذًا وتطورًا ، ولكن يمكنك الجمع بين مخططك الخاص بناءً على التفضيلات الشخصية. ولكن بعد ذلك ، يجب حساب المخطط الجديد بعناية للتأكد من أنه قابل للتحقيق ولن تواجه مشاكل غير قابلة للحل. سأحجز على الفور أن كل من المخططات لها الفروق الدقيقة وحدود التنفيذ. لكل منها خسائرها الخاصة في كتلة الحمولة ، وخسائر في التكلفة وتعقيد حل المشكلات. و المزيد لاحقا.