في الآونة الأخيرة ، عقد مؤتمر نظمته أكاديمية الفضاء الفرنسية في باريس. وكان أحد المتحدثين جان مارك أستورغ ، رئيس CNES (المركز الوطني لأبحاث الفضاء). أمضى حياته المهنية بالكامل في المديرية ، حيث عمل في Vega و Ariane 5 ECA و Soyuz في غيانا الفرنسية ، وفي عام 2015 تم تعيينه مديرًا للعمل مع Boosters. وكشف عن العديد من التفاصيل التقنية ، وخطط مشتركة للمستقبل وتحدث عن رد فعل أوروبا تجاه مركبات الإطلاق الأمريكية القابلة لإعادة الاستخدام. هذه المقالة مقابلة مترجمة ، تكملها شرائح عرضها خلال عرضه.
"عندما بدأت العمل في CNES في عام 1985 ، مباشرة بعد التخرج من كلية الهندسة ، كان لإعادة الاستخدام صورة سلبية للغاية. يرجع ذلك بشكل رئيسي إلى مكوك الفضاء الأمريكي ، الذي كان غير قادر تمامًا على تحقيق أهدافه الأصلية. في البداية ، كانت التكلفة المتوقعة 30 مليون دولار لكل عملية إطلاق وبتكرار تشغيل واحد في الأسبوع ، في النهاية تكلف حوالي 1 مليار دولار لكل عملية إطلاق مع 6 يبدأ في السنة. بهذه الطريقة
، قمنا ببناء صاروخ أريان بناءً على تجربة المكوك السيئة. اليوم ، Ariane 6 هو أول رد أوروبي على الصواريخ الأمريكية القابلة لإعادة الاستخدام.
قبل الخوض في التفاصيل ، سأذكركم بسرعة بالحقائق الاقتصادية. بين عامي 2017 و 2018 ، زادت ميزانية ناسا ، وبلغت هذه الزيادة الميزانية السنوية CNES بأكملها. أما بالنسبة لسوق الإطلاق العالمي ، فهو يمثل العديد من عمليات إطلاق الأقمار الصناعية سنويًا ، ولكن حوالي 25 منها فقط مفتوحة للمنافسة التجارية العالمية. معظم عمليات الإطلاق التجارية مخصصة لسواتل الاتصالات الثابتة بالنسبة للأرض ، لكننا لا نعرف ما إذا كان السوق سيظل كما هو.
القليل من التاريخ حول تطوير مركبات الإطلاق الأوروبية: حققت Ariane 1 نجاحًا تجاريًا غير متوقع بفضل فشل المكوك. تم تشغيله بالضبط في الوقت المناسب. بفضل تطور Ariane 4 ، وصلنا إلى سقف الاحتمالات لمفهوم Ariane 1 ، لذلك قمنا بتطوير Ariane 5. على مدى 20 عامًا ، كانت مركبة الإطلاق التجارية الرائدة في العالم. كانت إحدى مزايانا موقع منصة الإطلاق Kourou ، في غيانا الفرنسية.
لقد حصلنا على حصة جيدة في السوق ، نظرًا للتمويل الصغير نسبيًا في أوروبا. حاليا ، هناك إرادة سياسية في الولايات المتحدة للعودة إلى السوق التجاري واستعادة الأرض المفقودة. هناك تطور للأس الهيدروجيني في جميع أنحاء العالم ، من المشاركين الحكوميين والتجاريين ، بسبب الزيادة المتوقعة في السوق. بالنسبة للرقم الهيدروجيني فمن المهم أن تكون رخيصة بقدر الإمكان. حاليًا ، تبلغ الأسعار حوالي 10000 يورو للكيلوغرام عند إطلاقها في مدار ثابت بالنسبة للأرض (GTO). يرجى ملاحظة أن معظم الأس الهيدروجيني قيد التطوير ، وبالتالي فإن Ariane 6 ليست استثناءً في هذا الصدد.
لإعطاء لمحة موجزة عن الجهود العالمية في تطوير قدرات الإطلاق الجديدة ، يكفي أن نتذكر أن الصينيين لديهم برنامج فضائي مع تقدم مذهل على جميع الجبهات - هذه مركبات إطلاق جديدة ومركبات فضائية. يجعلنا نتحول إلى اللون الأصفر مع الحسد. وأعلنوا أنهم يطورون أيضًا مركبة إطلاق قابلة لإعادة الاستخدام: Long March 8 ، سيتم إطلاقها بحلول عام 2028.
في الولايات المتحدة ، لا ينبغي لنا أن نعارض جهود الفضاء العامة والخاصة: إن SpaceX هي إلى حد كبير من إنشاء وكالة ناسا ، وذلك بفضل المساعدة التقنية والمالية.
في أوروبا ، السبب الرئيسي لوجود برنامج الفضاء وإمكانية إطلاقه هو الوصول المستقل إلى الفضاء. لقد أدركنا ذلك في نفس اليوم عندما أردنا إطلاق أول قمر صناعي للاتصالات لدينا ، سيمفوني ، على مركبة إطلاق أمريكية. وافقوا على الإطلاق ، ولكن بشرط ألا يتم استخدام القمر الصناعي لأغراض تجارية. هذا يدل على أننا يجب أن نكون واثقين من أنفسنا وفي قدراتنا. ومع ذلك ، داخل أوروبا هناك حاجة لما لا يزيد عن 4-5 عمليات إطلاق في السنة. لذلك ، من المهم بالنسبة لنا الحصول على حصة في السوق التجاري من أجل الحفاظ على صناعة الطيران لدينا قابلة للحياة.
كنا نتوقع استئناف المنافسة في الولايات المتحدة. تم اقتراح Ariane 6 في الأصل في عام 2009 عندما أدركنا أن Falcon 9 SpaceX أثبت أنه درجة حموضة جيدة مع أداء عالي بتكلفة منخفضة. لذلك ، كان الهدف الرئيسي من Ariane 6 هو تقليل التكاليف. ومع ذلك ، تم اتخاذ قرار تمويل البرنامج فقط في عام 2014 ، وهو متأخر للغاية. إن اتخاذ القرار البطيء في أوروبا يمثل مشكلة خطيرة.
Ariane 6 هو صاروخ لمرة واحدة يشبه إلى حد كبير Ariane 5 ، لكننا نخفض تكلفته بنسبة 50 ٪ بفضل ثلاثة أشياء: زيادة في الإطلاق ، حيث سيحل محل "Union" الذي تم إطلاقه من غيانا الفرنسية ، الابتكار (على سبيل المثال ، بدلاً من اثنين 3- x block مسرعات الوقود الصلب المعدنية ، سوف نستخدم 4 مسرعات وقود صلب أحادية الكتلة وعملية إنتاج محسنة مع إدخال الإدارة الهزيل (الإدارة الهزيل). الهدف هو تكلفة 10000 يورو لكل كيلوغرام على TRP في عام 2020. هناك عدد قليل من التحديات التكنولوجية ، ولكن العديد من التحديات التنظيمية.
إعادة الاستخدام هي فكرة قديمة وواضحة إلى حد ما: يستغرق الأمر 3 سنوات لصنع مركبة إطلاق (بسبب تصنيع المحرك الطويل) ، وتكلف أكثر من 100 مليون يورو ، ونطلقها ، وفي أقل من 30 دقيقة تغرق بالفعل في البحر. ومع ذلك ، هناك طرق مختلفة لتنفيذ الاستخدام القابل لإعادة الاستخدام: فالكون 9 يختلف اختلافًا جوهريًا عن مكوك الفضاء في هذا الجانب. يتم حفظ الخطوة الأولى فقط ، وهي الأسهل لإعادة الاستخدام. يتم فصله بسرعة 2 كم فقط في الثانية ، وتكلفة 50 ٪ من تكلفة الصاروخ بأكمله. هذا فرق كبير بالمقارنة مع المكوك. فالكون 9 لديه أهداف تقنية معقولة يمكنه تحقيقها خطوة بخطوة. كان للمكوك الكثير من الطموحات في السبعينيات.
هناك العديد من استراتيجيات إعادة الاستخدام. نظرًا لأن الهدف هو تقليل التأثير السلبي على الخطوة ، فإن القفز بالمظلات في المحيط ليس خيارًا: المياه المالحة تجعل الإصلاح صعبًا. على سبيل المثال ، بالنسبة لـ Falcon 9 SpaceX ، يستخدمون محركًا للعودة إلى الأمام على طول مسار حلقة مع العديد من نبضات الكبح. لقد عملنا على ذلك مع مختبر الفضاء الوطني في فرنسا ، وأدركنا أنه معقد إلى حد ما.
الجانب الرئيسي هو أن هذا النهج يسمح لك بتجربة الهبوط: بعد فصل المرحلة الثانية ، يمكن أن تحاول المرحلة الأولى تغيير مسار وسرعة الحركة دون التأثير على مسار المهمة الرئيسية ودون تغييرات كبيرة في تصميم المرحلة الأولى. في الحلول التي تستخدم عودة مجنحة ، على العكس من ذلك ، يجب ضبط الأجنحة غير القابلة لإعادة التعيين على المسرح خلال الرحلة الكاملة للمرحلة الأولى ، والتي قد تتداخل مع المهمة. وبالتالي ، تعمل طريقة SpaceX ، والتي تتيح لك تجربة عمليات الإطلاق لمرة واحدة ، مع إضافة الحد الأدنى من مكونات الصواريخ. لذلك هذا هو الخيار الأقل تكلفة والأكثر إثارة للاهتمام.
يمكن إعادة استخدامها إيجابيات وسلبيات. العيوب هي انخفاض في الحمولة ، حتى -50 ٪ عند استخدام جزء من الوقود للعودة إلى منصة الإطلاق ، وزيادة الخطر عندما تعود الخطوة إلى منصة الإطلاق في غيانا - التي تقع بالقرب من مدينة كورو ومشكلة الوصول إلى منصة الهبوط في المحيط. للهبوط على بارجة ، يجب أن تكون الظروف الجوية مناسبة داخل دائرة نصف قطرها 400 كيلومتر وفي الطقس السيئ قد لا يتم الإطلاق.
الإضافات هي القدرة على الحصول على تردد أعلى لعمليات الإطلاق ولديها المزيد من المرونة عند التخطيط لعمليات الإطلاق المدفوعة ، حيث لا نحتاج إلى الانتظار طويلًا حتى يتم الإطلاق. بالإضافة إلى ذلك ، توفر إعادة الاستخدام المال إذا كانت تكاليف الإصلاح منخفضة. هذا عامل رئيسي لصيغة إعادة الاستخدام بأكملها. على سبيل المثال ، قبل إدخال Falcon 9 Block V في محرك Merlin ، كانت هناك حالات تصدع في المضخة التوربينية ، مما يعني أنه يجب استبدالها ويجب أن يكون الإطلاق محدودًا دون إصلاحات رئيسية لاستخدامين.
مشكلة الاستخدام القابل لإعادة الاستخدام هي أنه إذا لم تعد بحاجة إلى إنشاء الخطوات الأولى ، فإنك تغلق خطوط الإنتاج الخاصة بك. ومع ذلك ، إذا كنت بحاجة في مرحلة ما إلى بناء مرحلة ، فأنت بحاجة إلى فتحها مرة أخرى وإعداد الإنتاج ، الأمر الذي يتطلب مبلغًا كبيرًا من المال. لذلك ، من المهم استخدام نفس المحرك للمرحلتين الأولى والثانية حتى لا يتوقف الإنتاج.
ماذا يمكن أن تكون استراتيجية أوروبا التي يمكن إعادة استخدامها؟ أولاً ، لن نقوم بعمليات إطلاق قابلة لإعادة الاستخدام فقط. ويمكن التصرف في البعثات إلى المدارات الثابتة بالنسبة للأرض والبعثات إلى الهيئات الفضائية الأخرى. بالنسبة لمهمة في مدار الأرض ، سنستخدم مسار العودة إلى موقع الإطلاق. سيتيح لنا ذلك إعادة تشغيل المراحل الأولى والحفاظ على أحجام الإنتاج ، مع تقليل التكاليف بنسبة 30٪. إن إعادة الاستخدام الجزئية والمعقولة هذه ممكنة. ومع ذلك ، يتطلب هذا الكثير من التطور ، لأننا بحاجة إلى إتقان العديد من الظواهر الفيزيائية المعقدة. ومع ذلك ، فمن المثير للاهتمام ، حتى في حقائق اليوم. إذا توسع السوق ، يصبح ضروريا.
واحدة من التقنيات التي سيتم تطويرها هي تعديل جر المحرك. يمكن أن يسبب هذا مشاكل مع عدم استقرار الاحتراق ، ولم ندرسه بالتفصيل ، لأنه لم يكن ضروريًا. لذلك ، على المدى القصير ، Ariane 6 هو الحل الوحيد لخفض التكاليف وتكاليف بدء التشغيل. على المدى الطويل ، ستؤدي قابلية إعادة الاستخدام وغيرها من التقنيات ، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد ، إلى تقليلها بشكل أكبر. يمكن أن تحدث الطباعة ثلاثية الأبعاد ثورة في إنتاج غرف الاحتراق ، والتي تستغرق حاليًا وقتًا طويلاً جدًا.
نحن نهدف إلى تقديم نهج تجريبي مرحلي. نحن بحاجة للتحقق من كيفية عملها. أما بالنسبة للمحركات ، فنحن نستخدم حاليًا Vulcain ، وهو محرك هيدروجيني يعتمد على تصميم قديم. نقوم بتطوير محرك بروميثيوس الميثان والأكسجين ، والذي يهدف إلى تقليل التكاليف. هذا لا يعني أننا سوف نتخلى عن القاعدة الصناعية للهيدروجين ، سنرى. ميزة الميثان هي أنه يقع في الوسط بين الهيدروجين والكيروسين. من الأسهل بكثير التعامل مع الهيدروجين ، مع وجود دافع محدد أفضل من الكيروسين ، لذلك يمكن أن يكون المحرك أرخص ، وهو أمر بحجم أرخص. كما أن الميثان أكثر كثافة من الهيدروجين ، مما يجعل الخزانات أصغر وأرخص. نقوم ببناء نموذجين أوليين من بروميثيوس لاختبارات الحريق بحلول عام 2021.
يمكن استخدام بروميثيوس في الهندسة المعمارية الجديدة ، والتي نسميها Ariane Next. سيحتوي هذا المعزز على 7 محركات في المرحلة الأولى ومحرك واحد في المرحلة الثانية ويمكن استخدامه في
خيار يمكن التخلص منه أو قابل لإعادة الاستخدام ، مما يجعل من السهل تجربة إمكانية إعادة الاستخدام. الهدف هو التعلم من الاختبارات التي ليست نقطة قوية لصناعة الطيران الأوروبية.
قبل تنفيذ Ariane Next ، لدينا خطوات سابقة ، أحدها Callisto. بالنسبة لهذه المرحلة الأولى من المتظاهرين القابلين لإعادة الاستخدام ، ليس لدينا محرك قابل لإعادة الاستخدام في أوروبا ، لذلك نعمل مع اليابانيين. بعد ذلك ، سننتقل إلى نطاق أكبر - النموذج الأولي للمرحلة الأولى من الجيل الجديد من Themis بمحركات Prometheus. المفهوم لا يزال في مرحلة التعريف.
في النهاية ، سنحتاج إلى الاختيار بين تطور Ariane 6 ومركبة الإطلاق الجديدة ، والتي ستكون جاهزة في 2028-2030.
سؤال وجواب
سؤال : أين تريد إصلاح المرحلة الأولى؟
الجواب : ل Kourou ، لأنه بخلاف ذلك ، فإن التسليم إلى أوروبا يجعل المشروع بأكمله باهظ الثمن. ويجب أن يكون الإصلاح في الحد الأدنى بحيث يعمل المفهوم.
السؤال : يشبه Callisto إلى حد كبير جهاز الهبوط العمودي Grasshopper ، الذي تم استخدام تقنيته في الهبوط في المرحلة الأولى من Falcon 9.
الجواب : Callisto - له نفس تصميم جندب SpaceX. يقوم الصينيون أيضًا ببناء نموذج أولي مماثل ، ليس لدينا مشكلة في القول إننا لم نبتكر أي شيء جديد.
السؤال : يبدو بروميثيوس رخيصًا في الإنتاج ، فلماذا لا نضع المزيد من المحركات في مركبة الإطلاق لزيادة نسبة الدفع إلى الوزن؟
الإجابة : يعتمد تصميمنا على تحليل السوق. على الرغم من أنني لا أستطيع التنبؤ بما سيكون عليه الوضع في عام 2030 ، فإن 7 محركات Prometheus هي الأمثل للسوق الحالية.
سؤال : هل تخطط للذهاب إلى المريخ؟
الإجابة : نحن نغادر بالفعل إلى كوكب المريخ - الأداة على متن NASA Insights Mars هي مقياس زلازل أنتجته SEIS الفرنسية.
سؤال : يبدو أننا متأخرون عن الولايات المتحدة 5-8 سنوات ، هل سنلحق بالركب؟
الجواب : على الرغم من أن Elon Musk كتب فصلاً جديدًا في تاريخ إنشاء مركبات الإطلاق ، فإن نموذجه للاستخدام الكامل القابل لإعادة الاستخدام ليس هو الوحيد. أتوقع أن يكون سوق الإطلاق نصف قابل لإعادة الاستخدام ونصف يمكن التخلص منه في المستقبل. على سبيل المثال ، تمول القوات الجوية الأمريكية حاليًا تطوير مركبات الإطلاق التي يمكن التخلص منها.
السؤال : ماذا عن الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
الجواب : لقد زرت
Relativity Space في أبريل ، وبفضل الطباعة ثلاثية الأبعاد ، طوروا محرك ميثان بوزن 10 أطنان في عامين واختبروه في NASA Stennis. إنهم يريدون طباعة الصاروخ بأكمله. على الرغم من أنني لا أعتقد أنهم سيحققون ذلك ، إلا أنني أعتقد أنه يمكن أن يكون إنجازًا كبيرًا مثل عمليات الإطلاق المتعددة. في Ariane 6 ، على سبيل المثال ، سيتم طباعة وحدة الطاقة المساعدة للمرحلة الثانية ثلاثية الأبعاد ، وإلا سيكون من الصعب جدًا إنشاؤها. لذلك ، أتوقع انخفاضًا كبيرًا جدًا في التكاليف بسبب الطباعة ثلاثية الأبعاد.
السؤال : ما هي قيود الطقس لمراكب الهبوط؟
الإجابة : تؤدي الموجات العالية إلى إمالة البارجة بقوة ويمكنها قلب الخطوة المحددة. لهذا السبب طورت SpaceX نظام التقاط الصواريخ Octograbber. لدى Blue Origin مفهوم مختلف ، وسوف يستخدمون وعاءًا بنظام تثبيت هيدروديناميكي.
سؤال : ماذا تعتقد أن التأثير على السوق سيكون له كوكبات ضخمة من الأقمار الصناعية مثل Oneweb؟
الجواب : ليس لدي كرة بلورية. لكني أرى ذلك ، نظرًا لأن جميع مشغلي الأقمار الصناعية اتخذوا موقف انتظار ويراقبون إدخال هذه المجموعات ، فقد قاموا بتعليق بعض الطلبات للأقمار الصناعية الجديدة ، وانخفض السوق التجاري. الآن يبلغ 17 قمرًا صناعيًا سنويًا ، بينما كان في المتوسط حوالي 30 قمرًا صناعيًا ، سيتعين عليهم التنافس مع سواتل المدار الثابت بالنسبة للأرض والشبكات الأرضية ، لذا من الممكن أن يفشلوا ، كما في التسعينات. ثم السوق ، بالطبع ، لن ينمو 10 مرات.
سؤال : ما رأيك في مرونة الطلب في السوق؟
الجواب : حتى الآن ، كانت المرونة منخفضة. انخفضت تكلفة إطلاق GTO من 20000 يورو / كجم إلى 10000 يورو / كجم ، وهذا لم يكن له تأثير كبير على الطلب. إذا وصلنا إلى 5000 يورو / كجم ، فأنا لست متأكدًا من أن هذا سيكون له تأثير كبير. المشكلة هي أن تكلفة الوصول إلى الفضاء لا تزال مرتفعة. لذلك ، لا نبني نماذجنا على مرونة السوق.
سؤال : كيف تضمن عودة المرحلة الأولى الآمنة للسكان؟
الجواب : من الصعب القول. سنستخدم Callisto لإظهار أنه يمكننا توفير مسارات آمنة.
سؤال : ماذا عن إعادة استخدام المرحلة الثانية؟
الجواب : نعتقد أن التأثير على كتلة الحمل الناتج باهظ ، لذلك نحن لا نعمل بجد على ذلك.
المقالة الأصلية