La palabra "astronáutica" de la época de Korolev y Gagarin significa enormes puertos espaciales y cohetes desechables. Bueno, no siempre es desechable, pero incluso las etapas de cohetes reutilizables de Elon Mask cada vez que necesita traer, ensamblar en un taller especial, instalar en una plataforma de lanzamiento especial, repostar, verificar, y solo luego ejecutar. No es sorprendente que la astronáutica sea un placer muy costoso y el desarrollo industrial masivo de los recursos espaciales, incluso ahora, parece una vaga perspectiva para el futuro cercano.
¿Qué puede reemplazar los misiles? Sistema aeroespacial reutilizable. Esta idea no es nueva: después de la aparición del avión An-225 Mriya, muchos sistemas aeroespaciales se diseñaron sobre la base, como se puede aprender de las
memorias de Anatoly Vovnyanko , quien participó en su creación. El más interesante de ellos es MAKS-M:
La ventaja más importante de esta opción es la total reutilización. El avión actúa como la primera etapa. Esto elimina la necesidad de un puerto espacial especial: puede ser cualquier aeropuerto que pueda tomar An-225. El avión en sí puede llevar a cabo decenas de miles de lanzamientos de naves espaciales a lo largo de todo su ciclo de vida.
La nave espacial, diseñada para usarse con el An-225, puede pesar hasta 275 toneladas.
Según los cálculos preliminares , una versión totalmente reutilizable puede llevar a una órbita terrestre baja de 5,5 toneladas a una latitud de 51 ° a 7 toneladas en el ecuador. En caso de carga incompleta, puede lanzar un avión espacial cerca del aeródromo de lanzamiento (por ejemplo, en el territorio de Ucrania o sobre el Mar Negro), y si necesita llevar exactamente 7 toneladas a la órbita, el avión puede volar al ecuador y lanzarse allí.
La separación de la aeronave y la nave espacial se produce a una altitud de 10 km y una velocidad de 236 m / s (850 km / h). Para separar suavemente el avión espacial pesado ubicado en la parte posterior de la aeronave, debe crear una pequeña sobrecarga negativa. Un avión para esto hace algo así como esta "diapositiva":
y sobre él se separa el avión espacial. Después de eso, el avión regresa al aeródromo y el avión espacial, que tiene una velocidad inicial, comienza la aceleración horizontal. Es horizontal: el avión espacial tiene calidad aerodinámica y cuanto mayor sea la velocidad horizontal en la atmósfera, mayor será la elevación. Además, para entrar en órbita, es necesario desarrollar una velocidad
horizontal de 8 km / s. Energía cinética para la velocidad:
Pero a una altitud de 10 km no puede entrar en órbita: la atmósfera está en el camino. Para una órbita baja estable, necesitas ganar 200 km. Energía potencial para la altura (descuidando el gradiente de g sobre la altura, ya que es importante para nosotros solo estimar el orden):
Vamos a evaluar la relación de la energía de la aceleración horizontal y el aumento vertical:
Si sustituimos los números, obtenemos que la energía para subir 200 km es aproximadamente 16 veces menor que para subir una velocidad horizontal de 8 km / s. Entonces, lo que más importa es la aceleración horizontal, en la que la aerodinámica hará la mayor parte del trabajo de elevación.
En un avión espacial, puede poner los motores de cohete de oxígeno y queroseno habituales, establecidos y producidos por la industria de cohetes. Al mismo tiempo, el empuje del motor es mucho menor que en el caso de un cohete de despegue vertical convencional: la gravedad no necesita ser superada directamente, el avión espacial tiene calidad aerodinámica y es soportado por la elevación en el aire. Nuevamente, cuanto mayor sea la velocidad horizontal (que ya necesita recoger), más fuerte será la atmósfera que empujará el avión espacial al espacio.
Una vez en el espacio, el avión espacial deja en órbita un contenedor con carga. Más allá del espacio exterior, es mejor transportar carga en remolcadores orbitales en
reactores nucleares con un reactor nuclear . Con un empuje del orden de 1-2 Newton, adecuado solo para la aceleración en gravedad cero y vacío espacial, proporcionan un impulso específico muy alto. Si un motor químico produce un chorro de hasta 5 km / s, entonces un acelerador electroreactivo puede acelerar iones
a 300 km / s , es decir, 60 veces más eficiente. Sin embargo, qué hacer en el espacio en sí es un tema para un artículo separado, y no uno.
Después de completar la tarea, el avión espacial deja su órbita y regresa a la atmósfera. Ya está vacío y es relativamente ligero, pero aún tiene calidad aerodinámica. Esto significa que el descenso desde la órbita será mucho más suave que el descenso balístico de los vehículos de descenso convencionales. En este caso, el avión espacial debe tener una forma especial para un descenso más suave que los transbordadores y Buran. Esto reducirá (si no elimina) la necesidad de protección térmica, y los consumibles y mantenimiento relacionados.
Un avión espacial puede aterrizar en el aeropuerto, desde el cual será su próximo vuelo al espacio. Allí, se someten a mantenimiento y carga de carga. Después de eso, un avión espacial vacío (es decir, con un peso de hasta 100 toneladas) se carga con un autocrane en la parte posterior del An-225, reposta con el avión y en un nuevo vuelo. Teóricamente, un An-225 puede lanzarse en un avión espacial cada 4-6 horas, o incluso con más frecuencia. Es decir, 20-30 toneladas por órbita por día, y así todos los días. Cuando los aviones espaciales comienzan a volar constantemente en órbita cada pocas horas, ya se puede hablar con confianza sobre la exploración espacial industrial.
Dicha frecuencia de arranque y un modo de operación tan intensivo solo son posibles si se eliminan completamente los componentes únicos, como las unidades de refuerzo o un tanque de combustible externo. También es necesario minimizar los consumibles, idealmente para que cada vez se consuma solo queroseno y oxígeno líquido. El sistema aeroespacial descrito utiliza los mismos campos de aviación e incluso el mismo queroseno que la aviación convencional. Cualquier aeródromo capaz de recibir An-225 puede convertirse fácilmente en un puerto espacial. Existen diferencias con respecto a la aviación convencional, pero encajan bien en el marco de la infraestructura del aeródromo: cargar un plano espacial en el An-225 con una grúa, repostar con oxígeno líquido y mantener el plan espacial en los hangares de los aeródromos, que, una vez más, no debería ser mucho más complicado que los aviones.
El avión An-225 ha existido en una copia voladora durante 30 años. Además, hay
otra instancia inacabada que se puede completar específicamente para las necesidades del programa aeroespacial. Todavía no hay un plan espacial listo, y esto es incluso bueno, ya que le permitirá diseñar desde cero un nuevo diseño que esté optimizado tanto como sea posible para un lanzamiento aéreo desde un avión de transporte y una operación intensiva con un mínimo de consumibles y mantenimiento. La mayoría de los componentes necesarios para tal programa aeroespacial se pueden producir en Ucrania.
Además de los vuelos espaciales, se abre otra perspectiva no menos atractiva: las aerolíneas suborbitales. Después de probar la tecnología en los lanzamientos orbitales, será posible aplicarla ya para el transporte de pasajeros y correo de ultra alta velocidad. Un vuelo en avión espacial a lo largo de una trayectoria suborbital a cualquier parte del mundo no tomará más de una hora. ¿Quieres volar de Europa a Sudamérica o Australia en una hora de gravedad cero?
En la sección 1, el avión espacial acelera en sus motores a una velocidad suficiente para entrar en la trayectoria suborbital. En la Sección 2, vuela por el espacio en gravedad cero, lo que sienten los pasajeros. En la sección 3, se produce resistencia aerodinámica, después de lo cual se produce el aterrizaje en el aeropuerto objetivo.
Una nave espacial compatible con el An-225 puede acomodar hasta 60 pasajeros durante el vuelo suborbital. Si al mismo tiempo es posible lograr la simplicidad del "avión" de operar el sistema aeroespacial, los boletos costarán un poco más que los aviones convencionales: en 15 horas, en lugar del vuelo habitual de larga distancia con pasajeros, el An-225 puede lograr lanzar varios aviones espaciales suborbitales, transportando un número proporcional de pasajeros. La única pregunta es la velocidad de las operaciones previas al lanzamiento, que pueden incrementarse gradualmente (por supuesto, no en detrimento de la seguridad). Debería haber otro An-225 en el destino, lanzando aviones espaciales en el vuelo de regreso.
Dicho sistema será fácil de implementar y colapsar en cualquier aeropuerto del mundo: es suficiente en el An-225 para traer una grúa de camión para cargar el avión espacial y equipos portátiles para la licuefacción de oxígeno, que se utiliza para llenar el avión espacial. No es necesaria la construcción costosa, compleja ya largo plazo de la infraestructura estacionaria (como en los puertos espaciales para misiles convencionales).
Un sistema aeroespacial totalmente reutilizable no solo puede abrir la era de la exploración espacial industrial, sino que también permite volar al punto más alejado de la Tierra en una hora.
UPD: en los comentarios se menciona una versión parcialmente reutilizable del MAX con un tanque de combustible externo. El sistema con un tanque externo, de acuerdo con los cálculos, generará 19.5 toneladas en el ecuador y totalmente reutilizable: 7 toneladas. ¿Y qué? Durante una preparación previa al lanzamiento más compleja de un sistema con un tanque externo, puede tener tiempo para preparar y lanzar una nave espacial reutilizable 3 o más veces. Que, por cierto, tiene un compartimento de carga mucho más grande, es decir, es posible mostrar una carga más grande.
También se discutió que un avión portador subsónico daría muy poca velocidad inicial. Lo que lleva alas al espacio es una disminución de la masa útil, pero la ventaja clave del sistema descrito no está en la velocidad inicial del avión espacial, y no en la masa de salida. La ventaja clave es
casi la simplicidad del avión y la velocidad de preparación para el lanzamiento, minimizando la complejidad del equipo necesario . Nuevamente, en lugar de un solo lanzamiento de un medio único o parcialmente reutilizable, es posible llevar a cabo varios arranques de un sistema reutilizable. Al minimizar el costo de cada inicio, será más rentable.
UPD2: el metano licuado puede ser un combustible más adecuado para un avión espacial que el queroseno. La criogenia del metano líquido y el oxígeno son casi iguales, por lo que esto solo complicará ligeramente el sistema. Es mejor entregar combustible por ferrocarril, colocando los rieles directamente a la estación de servicio del aeródromo.
UPD3: los comentarios trataron sobre la complejidad del servicio de un avión espacial y el
Shuttle fue citado como un ejemplo de la imposibilidad de reducirlo. Sin embargo, el Shuttle tenía un peso inicial de 2030 toneladas, mientras que tenía un tanque externo desechable y refuerzos condicionalmente reutilizables, que aún necesitaban ser atrapados en el océano, traídos y reabastecidos. El sistema con Shuttle requería ensamblaje en un taller especial y una plataforma de lanzamiento con exportación a él. Y el ensamblaje del sistema descrito se reduce a cargar el avión espacial en la parte posterior del An-225 con una grúa.
En cuanto a la dificultad en el mantenimiento del Shuttle, el principal problema son los motores con un empuje de 541 toneladas. En un plan de lanzamiento espacial horizontal con una masa de 275 toneladas, su empuje puede ser significativamente menor. Quizás incluso menos que la masa del avión espacial, ya que la fuerza de elevación hace el trabajo para vencer la gravedad. Menos empuje - menos vibración - mantenimiento más fácil de la nave espacial entre vuelos.
UPD4: un avión espacial en un avión debe estar sumergido por una grúa.
Un avión espacial vacío pesa menos de 100 toneladas, y esta masa está disponible incluso para grúas de camiones en serie. Los
girodinios de la propia nave espacial (diseñados para girar alrededor de su eje en órbita) pueden ayudar a estabilizar y rotar el avión espacial durante el ascenso.
En la parte posterior del An-225 en montajes externos debe haber un adaptador especial para montar naves espaciales. En él - "surcos" para el chasis de la nave espacial. Cuando la grúa se sumerge y libera el plan de espacio, el chasis queda exactamente en la posición correcta, después de lo cual se fijan fijaciones adicionales. Después de la fijación final, se produce el reabastecimiento de combustible y el despegue.