Многоразовые система запуска является система запуска , что позволяет повторное использование некоторых или всех компонентов этапов. На сегодняшний день совершено несколько полетов полностью многоразовых суборбитальных систем и частично многоразовых орбитальных систем.
Первой многоразовой ракетой-носителем, вышедшей на орбиту, стал Space Shuttle (в 1981 г.), который не смог достичь намеченной цели по снижению затрат на запуск до уровня ниже затрат на одноразовые пусковые системы .
В течение 21 века коммерческий интерес к многоразовым пусковым системам значительно вырос, поскольку в них есть несколько активных пусковых установок. Генеральный директор SpaceX Илон Маск сказал, что если кто-то сможет выяснить, как повторно использовать ракеты, такие как самолеты, то стоимость доступа в космос снизится в сто раз. [1] Ракета Falcon 9 компании SpaceX имеет многоразовую первую ступень и капсулу (для полетов Дракона ) и одноразовую вторую ступень. Компания Spaceship Company использовала многоразовые суборбитальные космические самолеты , а суборбитальная ракета Blue Origin New Shepard имеет восстанавливаемые первые ступени и капсулы экипажа .
Конфигурации
Многоразовые пусковые системы могут быть как полностью, так и частично многоразовыми.
Полностью многоразовые пусковые системы
Полностью многоразовые системы могут быть одноэтапными на орбиту (SSTO), а также многоступенчатыми ( двух- или трехступенчатыми ) системами на орбиту. Полностью многоразовые системы еще не доказали свою жизнеспособность; теоретические одноступенчатые системы и вторая ступень существующих частично многоразовых многоступенчатых конструкций еще не могут использоваться повторно.
Планы сделать вторую ступень Falcon 9 многоразовой, создав полностью многоразовую систему, были отменены. SpaceX Starship разрабатывается как полностью многоразовой системы запуска.
Частично многоразовые пусковые системы
Частично многоразовые пусковые системы в виде многоступенчатых систем для вывода на орбиту до сих пор были единственными используемыми конфигурациями многократного использования.
Этапы старта
Существующие многоразовые пусковые системы используют ракетный вертикальный отрыв .
Помимо этого, целый ряд неракетных систем взлета был предложен и исследован с течением времени в качестве многоразовых систем для взлета с аэростатов [2] [ актуально? ] в космические лифты . Существующими примерами являются системы, использующие отрыв с крылатыми горизонтальными реактивными двигателями. Такой самолет может запускать в воздух одноразовые ракеты и по этой причине может рассматриваться как частично многоразовая система, если самолет рассматривается как первая ступень ракеты-носителя. Примером такой конфигурации является орбитальный компьютер Pegasus . Для суборбитальных полета SpaceShipTwo использует для Liftoff самолета - носителя, его Mothership Scaled Composites White Knight Two .
Этапы орбитального ввода
Пока что системы запуска достигают орбитального вывода с помощью многоступенчатых ракет , особенно со второй и третьей ступенями. Только космический челнок достиг частичного повторного использования ступени вывода на орбиту за счет использования двигателей своего орбитального корабля .
Многоразовый орбитальный аппарат
Системы запуска могут быть совмещены с многоразовыми орбитальными аппаратами. Орбитальный космический челнок , SpaceShipTwo и испытываются Индийский RLV-ТД , являются примерами для многоразового космического аппарата (а космоплан ), а также в качестве части ее системы запуска.
Более современно пусковая система Falcon 9 несла многоразовые транспортные средства, такие как Dragon 2 и X-37 , одновременно перевозя два многоразовых транспортных средства.
Современные многоразовые орбитальные аппараты включают X-37, Dream Chaser , Dragon 2, Indian RLV-TD и будущий European Space Rider (преемник IXV ).
Как и в случае с ракетами-носителями, все чисто космические корабли в первые десятилетия существования человечества в космических полетах проектировались как предметы одноразового использования. Это справедливо как для спутников и космических зондов, предназначенных для длительного пребывания в космосе, так и для любых объектов, предназначенных для возвращения на Землю, таких как космические капсулы с людьми или контейнеры для возврата образцов в рамках миссий по сбору космического вещества, таких как Stardust ( 1999–2006) [3] или Хаябуса (2005–2010). [4] [5] Исключениями из общего правила для космических аппаратов были американский космический корабль Gemini SC-2 , советский космический корабль « Возвращаемый аппарат» (VA) , американский орбитальный корабль Space Shuttle (середина 1970-х - 2011, 135 полетов в период с 1981 по 2011 г.) и советский « Буран» (1980–1988 гг., С одним испытательным полетом без экипажа в 1988 г.). Оба этих космических корабля также были неотъемлемой частью системы запуска (обеспечивающей ускорение запуска), а также работали как космические корабли средней продолжительности полета в космосе . Это начало меняться в середине 2010-х годов.
В 2010-х годах космическая транспортная капсула от одного из поставщиков, снабжающих Международную космическую станцию, была разработана для повторного использования, а после 2017 года [6] НАСА начало разрешать повторное использование грузового космического корабля SpaceX Dragon на этих транспортных маршрутах по контракту НАСА. . Это было началом проектирования и эксплуатации многоразового космического корабля .
С тех пор капсулы Boeing Starliner снижают скорость падения с помощью парашютов и незадолго до приземления на землю срабатывают подушку безопасности, чтобы поднять и повторно использовать транспортное средство.
По состоянию на 2020 год[Обновить], SpaceX в настоящее время строит и тестирует космический корабль Starship, чтобы он мог выдержать многократные гиперзвуковые повторные входы в атмосферу, чтобы они стали действительно многоразовыми космическими кораблями длительного действия; повторных рейсов Starship еще не было.
Системы входа
Тепловой экран
С возможными надувными теплозащитными экранами , разработанными США (Low Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator - LOFTID) [7] и Китаем [8], одноразовые ракеты, такие как Space Launch System , считаются модернизированными такими теплозащитными экранами для спасти дорогие двигатели, возможно, значительно сократив затраты на запуски. [9]
Ретроградная тяга
Системы запуска, такие как Falcon 9, используют для своих многоразовых ступеней не только ретроградную посадку, но и возвращение в атмосферу, и даже обратную вспышку, вместо того, чтобы нацеливаться только на приземление с пониженной дальности .
Системы посадки
Многоразовые системы могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми ( два или три ) для орбитальных конфигураций. Для некоторых или всех этапов могут использоваться следующие типы систем посадки.
Типы
Торможение
Это системы приземления, в которых используются парашюты и усиленные жесткие приземления, такие как приводнение в море или приземление на суше.
Хотя такие системы использовались с самого начала космонавтики для восстановления космических аппаратов, особенно космических капсул с экипажем , только позже аппараты были повторно использованы.
Например:
- Твердотопливные ракетные ускорители космического корабля "Шаттл"
- Извлекаемые жидкие ускорители космического корабля: исследование роста шаттла
Горизонтальный (крылатый)
Одиночные или основные ступени, а также ускорители обратного хода могут использовать систему горизонтальной посадки.
Примеры:
- Орбитальный аппарат Space Shuttle - в составе основной сцены
- Изученная ракета-носитель космического корабля "Шаттл"
- Энергия II («Ураган») - альтернативная концепция стартовой системы « Буран ».
- Liquid Fly-back Booster - немецкий концепт
- Байкал - бывший российский проект
- Многоразовая бустерная система - исследовательский проект в США
- XS-1 - еще один исследовательский проект США
- RLV-TD - текущий индийский проект
- Двигатели реакции Skylon SSTO
Вариант - это система буксировки с воздушным захватом, которую предлагает компания EMBENTION в своем проекте FALCon. [10]
Транспортным средствам, которые приземляются на взлетно-посадочную полосу горизонтально, требуются крылья и ходовая часть. Они , как правило , потребляют около 9-12% от массы транспортного средства посадки, [ править ] , который либо уменьшает полезную нагрузку или увеличивает размер транспортного средства. Такие понятия, как подъем тела предлагают некоторое снижение массы крыла, [ править ] как это делает треугольным крылом форму Space Shuttle .
Вертикальный (ретроградный)
Такие системы, как McDonnell Douglas DC-X (Delta Clipper) и SpaceX, являются примерами ретроградной системы. Ускорители Falcon 9 и Falcon Heavy приземляются с использованием одного из своих девяти двигателей. Ракета Falcon 9 - первая орбитальная ракета, которая вертикально приземляет свою первую ступень на землю. Планируется, что оба этапа Starship будут приземляться вертикально.
Для ретроградной посадки обычно требуется около 10% от общего количества топлива первой ступени, что снижает полезную нагрузку, которую можно нести из-за уравнения ракеты . [11]
Ограничения
Дополнительный вес
Многоразовые ступени весят больше, чем эквивалентные одноразовые ступени . Это неизбежно из-за дополнительных систем, шасси и / или избыточного топлива, необходимого для посадки ступени. Фактический штраф массы зависит от транспортного средства и выбранного режима возврата. [12]
Ремонт
После приземления пусковая установка может нуждаться в ремонте, чтобы подготовить ее к следующему полету. Этот процесс может быть длительным и дорогостоящим. И пусковая установка может не пройти повторную сертификацию как предназначенную для людей после ремонта. В конечном итоге существует ограничение на то, сколько раз пусковая установка может быть отремонтирована, прежде чем ее нужно будет списать, но то, как часто космический корабль может быть повторно использован, значительно различается между различными конструкциями систем запуска.
История
С развитием ракетных двигателей в первой половине двадцатого века космические путешествия стали технической возможностью.
Ранние идеи одноступенчатого многоразового космического самолета оказались нереалистичными, и хотя даже первые практические ракетные аппараты ( Фау-2 ) могли достичь окраин космоса, технология многоразового использования была слишком тяжелой. Кроме того, многие ранние ракеты были разработаны для доставки оружия, что делало повторное использование невозможным по конструкции. Проблема массовой эффективности была решена за счет использования нескольких одноразовых ступеней в многоступенчатой ракете вертикального старта . USAF и NACA изучали орбитальные многоразовые космические самолеты с 1958 года, например Dyna-Soar , но первые многоразовые ступени не использовались до появления американского космического корабля «Шаттл» в 1981 году.
20 век
Возможно, первые многоразовые ракеты-носители были концептуализированы и изучены Вернером фон Брауном с 1948 по 1956 год. Ракета- перегонщик фон Брауна подвергалась двум модификациям: один раз в 1952 году и еще раз в 1956. Они приземлялись с помощью парашютов. [13] [14]
General Dynamics Nexus была предложена в 1960 - е годы в качестве полностью многоразовой преемника ракеты Сатурн V, имеющий способность перевозить до 450-910 т (990,000-2,000,000 фунтов) на орбиту. [15] [16] См. Также Sea Dragon и Дуглас САССТО .
ВАС Горчица была изучена , начиная с 1964 г. Было бы включала три идентичных КЛА привязали вместе и расположены в два этапа. Во время всплытия два космических самолета, составлявшие первую ступень, отделялись и по отдельности возвращались на Землю. Он был отменен после последней проработки конструкции в 1967 году из-за отсутствия средств на разработку. [17]
НАСА начало процесс проектирования космического корабля "Шаттл" в 1968 году с целью создания полностью многоразового космического самолета с пилотируемым летательным аппаратом -носителем . Эта концепция оказалась дорогостоящей и сложной, поэтому конструкцию пришлось сократить до многоразовых твердотопливных ракетных ускорителей и одноразового внешнего бака . [18] [19] Шаттл был более дорогим в эксплуатации в течение его 30-летнего срока службы, чем одноразовая пусковая система. [ необходима цитата ] Спейс шаттл " Колумбия" запускался и приземлялся 27 раз и погиб вместе со всем экипажем при 28-й попытке приземления; «Челленджер» запускался и приземлялся 9 раз и погиб вместе со всем экипажем при 10-й попытке запуска; «Дискавери» запускался и приземлялся 39 раз; «Атлантида» запускалась и приземлялась 33 раза.
В 1986 году президент Рональд Рейган призвал к созданию Национального аэрокосмического самолета (NASP) / X-30 с воздушно-реактивным двигателем . Проект провалился из-за технических проблем и был отменен в 1993 году [20].
В конце 1980-х годов была предложена полностью многоразовая версия ракеты " Энергия " - Энергия II. Его ускорители и ядро могли бы садиться отдельно на взлетно-посадочную полосу. [21]
В 1990-х годах предложение McDonnell Douglas Delta Clipper VTOL SSTO перешло в фазу испытаний. DC-X прототип продемонстрировал быстрое время обработки и автоматическое управление компьютером.
В середине 1990-х британские исследователи преобразовали более ранний дизайн HOTOL в гораздо более многообещающий дизайн Skylon , который все еще находится в разработке.
С конца 1990-х до 2000-х годов Европейское космическое агентство изучало восстановление твердотопливных ракетных ускорителей Ariane 5 . [22] Последняя попытка восстановления была предпринята в 2009 году. [23]
Коммерческие предприятия, Rocketplane Kistler и Rotary Rocket , пытались построить многоразовые ракеты частной разработки, прежде чем обанкротиться. [ необходима цитата ]
НАСА предложило многоразовые концепции для замены технологии «Шаттл» для демонстрации в рамках программ X-33 и X-34 , которые были отменены в начале 2000-х годов из-за роста затрат и технических проблем.
21-го века
Конкурс Ansari X Prize был направлен на разработку частных суборбитальных многоразовых аппаратов. Многие частные компании соревновались с победителем, Scaled Composites , достигнув линии Кармана дважды за двухнедельный период со своим многоразовым SpaceShipOne .
В 2012 году SpaceX начала программу летных испытаний экспериментальных аппаратов . Впоследствии это привело к разработке многоразовой ракетной установки Falcon 9 . [24]
23 ноября 2015 года ракета New Shepard стала первой суборбитальной ракетой с вертикальным взлетом и вертикальной посадкой (VTVL), которая достигла космоса, пройдя линию Кармана (100 км или 62 мили), достигнув высоты 329 839 футов (100 535 м) перед возвращением. для пропульсивной посадки. [25] [26]
Компания SpaceX осуществила первую вертикальную мягкую посадку многоразовой орбитальной ракетной ступени 21 декабря 2015 года после доставки 11 коммерческих спутников Orbcomm OG-2 на низкую околоземную орбиту . [27]
Первое повторное использование первой ступени Falcon 9 произошло 30 марта 2017 года. [28] SpaceX теперь регулярно восстанавливает и повторно использует свои первые ступени, а также повторно использует обтекатели . [29]
В 2019 году Rocket Lab объявила о планах восстановления и повторного использования первой ступени своей ракеты-носителя Electron , намереваясь использовать парашюты и подъем в воздухе . [30] 20 ноября 2020 года Rocket Lab успешно вернула первую ступень Electron с орбитального запуска, ступень мягко плескалась в Тихом океане. [31]
Китай изучает возможность повторного использования системы Long March 8 . [32]
По состоянию на май 2020 г.[Обновить], единственными действующими многоразовыми системами запуска орбитального класса являются Falcon 9 и Falcon Heavy , последняя из которых основана на Falcon 9. SpaceX также разрабатывает полностью многоразовую систему запуска Starship [33], а Blue Origin разрабатывает ее иметь собственную частично многоразовую орбитальную ракету New Glenn , поскольку она намерена восстановить и повторно использовать только первую ступень.
5 октября 2020 года Роскосмос подписал контракт на разработку на Амуре новой пусковой установки с многоразовой первой ступенью. [34]
В декабре 2020 года ЕКА подписало контракты на начало разработки THEMIS, прототипа многоразовой пусковой установки первой ступени. [35]
Список многоразовых пусковых систем
Компания | Транспортное средство | Страна | Тип | Статус | Заметки |
---|---|---|---|---|---|
Голубое происхождение | Новый Шепард | нас | Суборбитальный | В разработке | Полностью многоразовый |
Голубое происхождение | New Glenn | нас | Орбитальный | В разработке | Первая ступень многоразового использования |
Ракетная лаборатория | Электрон | Новая Зеландия | Орбитальный | Оперативный | Первая ступень восстановлена, но еще не использована. |
Ракетная лаборатория | Нейтрон | Новая Зеландия | Орбитальный | В разработке | Первая ступень многоразового использования |
United Launch Alliance | Вулканский кентавр | нас | Орбитальный | В разработке | Модуль двигателя первой ступени многоразового использования в более поздних версиях. |
ISRO | RLV-TD | Индия | Суборбитальный | Проект | Успешно прошли летные испытания, [36] Полностью многоразовый. |
Virgin Galactic | SpaceShipTwo | нас | Суборбитальный | Опытный образец | Создан для космического туризма. Полностью многоразовый |
SpaceX | Сокол 9 | нас | Орбитальный | Оперативный | Первая ступень и обтекатель многоразового использования. |
SpaceX | Falcon Heavy | нас | Орбитальный | Оперативный | Сердечник, боковые ускорители и обтекатель многоразового использования. |
SpaceX | Звездолет | нас | Орбитальный | Опытный образец | Полностью многоразовый. |
НАСА | Космический шаттл | нас | Орбитальный | На пенсии | Орбитальный и боковые ускорители многоразового использования за большие деньги |
НПО-Энергия | Энергия-Буран | СССР | Орбитальный | На пенсии | Только полезная нагрузка орбитального корабля "Буран" многоразового использования; Пусковая установка Энергия полностью израсходована. |
I-пространство | Гипербола-2 | Китай | Орбитальный | В разработке. | Опытный образец |
Роскосмос | Амур | Россия | Орбитальный | В разработке | Опытный образец |
ЕКА | Фемида | Евросоюз | Орбитальный | В разработке | Прототип, нацеленный на повторное использование на первом этапе |
Смотрите также
- Многоразовый космический корабль
- Программа разработки многоразовой системы запуска SpaceX
- Космоплан
- Список частных космических компаний
- Взлет и посадка
- Спускаемый аппарат на Марс
- Транспортное средство восхождения на Марс
- Лунный посадочный модуль
Рекомендации
- ^ «Возможность повторного использования» . Проверено 20 ноября 2019 года .
- ^ Рейес, Тим (17 октября 2014 г.). «Пусковая установка для воздушных шаров Zero2Infinity устремлена к звездам» . Вселенная сегодня . Дата обращения 9 июля 2015 .
- ^ Мьюир, Хейзел (15 января 2006 г.). «Щепотка кометной пыли благополучно приземляется на Земле» . Новый ученый . Проверено 20 января 2018 года .
- ^ «Миссия выполнена для японского исследователя астероидов Хаябуса» . Архивировано из оригинального 16 -го июня 2010 года. CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ «Космический зонд, возможно, с обломком астероида, возвращается на Землю в воскресенье» . Space.com . 13 июня 2010. Архивировано из оригинала 16 июня 2010 . Проверено 13 июня 2010 года .
- ^ Кларк, Стивен. «Грузовой манифест 11-й миссии SpaceX по доставке на космическую станцию» . Космический полет сейчас . Дата обращения 3 июня 2017 .
- ^ Мардер, Дженни (3 июля 2019 г.). «Надувной замедлитель покорится на спутнике JPSS-2» . NOAA . Проверено 30 октября 2019 года .
- ^ Редакция Синьхуа (5 мая 2020 г.). " "胖 五 "家族 迎新 新一代 载人 飞船 试验 船 升空 —— 长征 五号 B 运载火箭 首飞 三大 看点 (Семейство LM5 в центре внимания: пилотируемые космические корабли нового поколения и другие изюминки Великого марша 5B) полет) » . Новости Синьхуа (на китайском языке).
- ^ Билл Д'Зио (7 мая 2020 г.). «Являются ли китайские надувные космические технологии экономией на 400 миллионов долларов для SLS НАСА?» . westeastspace.com . Проверено 29 октября 2020 года .
- ^ «ФАЛКОН» . embention.com . Проверено 29 октября 2020 года .
- ^ «SpaceX в Твиттере» . Twitter . Проверено 7 января, 2016 .
- ^ Сиппель, М; Stappert, S; Bussler, L; Dumont, E (сентябрь 2017 г.), «Систематическая оценка многоразовых вариантов возврата на первом этапе» (PDF) , IAC-17-D2.4.4, 68-й Международный астронавтический конгресс, Аделаида, Австралия.
- ^ «Концептуальный автомобиль фон Брауна» . www.astronautix.com .
- ^ "Фантастическое видение Вернера фон Брауна: Ракета- перегонщик | ПРОВОДНАЯ" - через www.wired.com.
- ^ «ч2» . history.nasa.gov .
- ^ «Нексус» . www.astronautix.com .
- ^ «Воплощение в жизнь забытых проектов Thunderbirds 1960-х» . BAE Systems | Соединенное Королевство .
- ^ НАСА CR-195281, «Использование внешних баках космической транспортной системы»
- ^ «Внешняя цистерна СТС» . Ntrs.nasa.gov. Архивировано из оригинального 7 -го апреля 2015 года . Проверено 7 января 2015 года .
- ^ «Медный каньон» . www.astronautix.com . Проверено 8 июня 2018 .
- ^ "Б.И.Губанов. Триумф и трагедия" Энергии "глава 41" . www.buran.ru .
- ^ «Восстановление ракеты-носителя Ariane 5 в море» . www.esa.int . Источник 2021-03-03 .
- ^ «Франция в космосе №387» . www.web.archive.org . Источник 2021-03-03 .
- ^ Линдси, Кларк (28 марта 2013 г.). «SpaceX быстро движется к первой ступени обратного полета» . NewSpace Watch . Проверено 29 марта 2013 .
- ^ "Blue Origin совершает историческую посадку многоразовой ракеты в эпическом испытательном полете" . Калла Кофилд . Space.Com. 2015-11-24 . Проверено 25 ноября 2015 .
- ^ Бергер, Эрик. «Джефф Безос и Илон Маск спорили из-за гравитации приземления ракеты Blue Origin» . Ars Technica . Проверено 25 ноября 2015 года .
- ^ «SpaceX в Твиттере» . Twitter .
- ^ «SpaceX успешно [ sic ] запускает первую переработанную ракету - видео» . Хранитель . Рейтер. 31 марта 2017.
- ^ Апрель 2019, Майк Уолл 12. «SpaceX восстановила тяжелый носовой обтекатель Falcon, планирует повторно запустить его в этом году (фотографии)» . Space.com .
- ^ "Rocket Lab объявляет о планах повторного использования электронных ракет" . Ракетная лаборатория. 6 августа 2019 . Проверено 7 декабря 2019 .
- ^ «Rocket Lab запускает Electron для проверки восстановления ускорителя» . SpaceNews . 2020-11-20 . Проверено 20 ноября 2020 .
- ^ «Китай проверит возможность повторного использования ракеты с запланированной пусковой установкой Long March 8» . SpaceNews.com. 2018-04-30 . Проверено 4 октября 2020 .
- ^ Илон Маск (29 сентября 2017 г.). Превращение в многопланетный вид (видео). 68-е ежегодное собрание Международного астронавтического конгресса в Аделаиде, Австралия: SpaceX . Проверено 31 декабря 2017 г. - через YouTube.CS1 maint: location ( ссылка )
- ^ «Беспроблемный, как автомат Калашникова: метановая ракета« Амур »» . Роскосмос . 5 октября 2020 . Дата обращения 6 октября 2020 .
- ^ «ЕКА планирует демонстрацию многоразовой ракетной ступени» . Space Daily .
- ^ «Индийский демонстратор технологии многоразовых ракет-носителей (RLV-TD), успешно прошел летные испытания - ISRO» . www.isro.gov.in . Проверено 24 сентября 2018 .
Библиография
- Хериберт Кучера и др.: Многоразовые космические транспортные системы. Шпрингер, Берлин 2011 г., ISBN 978-3-540-89180-2 .
Внешние ссылки
- Иллюстрация космического челнока на взлете и орбитального корабля (Наглядный словарь - QAInternational)
- Модуль лунного посадочного модуля