نظام الفضاء بالكامل قابلة لإعادة الاستخدام من التقنيات الحالية

كلمة "رواد فضاء" من وقت كوروليف وغاغارين تعني مطارات ضخمة وصواريخ يمكن التخلص منها. حسنًا ، لا يمكن التخلص منها دائمًا - ولكن حتى المراحل الصاروخية القابلة لإعادة الاستخدام من قناع Elon Mask في كل مرة تحتاج فيها إلى تجميعها في ورشة عمل خاصة والتثبيت على منصة إطلاق خاصة وتزويدها بالوقود والتحقق منها وتشغيلها فقط. ليس من المستغرب أن يكون رواد الفضاء مكلفين للغاية وأن التطوير الصناعي الهائل لموارد الفضاء يبدو الآن وكأنه احتمال غامض في المستقبل القريب.

ماذا يمكن أن تحل محل الصواريخ؟ نظام الفضاء القابل لإعادة الاستخدام. هذه الفكرة ليست جديدة: بعد ظهور طائرة An-225 Mriya ، تم تصميم العديد من أنظمة الطيران على أساسها ، كما يمكن تعلمها من مذكرات Anatoly Vovnyanko ، التي شاركت في إنشائها. الأكثر إثارة للاهتمام منهم هو MAKS-M:


أهم ميزة لهذا الخيار هو إعادة الاستخدام الكامل. الطائرة بمثابة المرحلة الأولى. هذا يلغي الحاجة إلى ميناء فضائي خاص - يمكن أن يكون أي مطار يمكن أن يستغرق الطائرة An-225. تستطيع الطائرة نفسها تنفيذ عشرات الآلاف من عمليات إطلاق المركبات الفضائية طوال دورة حياتها بأكملها.

يصل وزن المركبة الفضائية المصممة للاستخدام مع الطائرة An-225 إلى 275 طنًا. وفقًا للحسابات الأولية ، يمكن للنسخة القابلة لإعادة الاستخدام بالكامل أن تدخل مدار الأرض المنخفض من 5.5 طن عند خط عرض 51 درجة إلى 7 أطنان عند خط الاستواء. في حالة عدم اكتمال التحميل ، يمكنك إطلاق طائرة فضائية بالقرب من مطار الإطلاق (على سبيل المثال ، في أراضي أوكرانيا أو فوق البحر الأسود) ، وإذا كنت بحاجة إلى إحضار 7 أطنان بالضبط في المدار ، فيمكن أن تطير الطائرة إلى خط الاستواء وتطلق هناك.

يحدث فصل الطائرة والمركبة الفضائية على ارتفاع 10 كم وسرعة 236 م / ث (850 كم / ساعة). لفصل الطائرة الفضائية الثقيلة الموجودة على ظهر الطائرة بسلاسة ، يلزمك إنشاء حمل زائد سلبي صغير. طائرة لهذا يجعل شيئا مثل هذه "الشريحة":


وعلى ذلك يتم فصل الطائرة الفضائية. بعد ذلك ، تعود الطائرة إلى المطار ، وتبدأ الطائرة الفضائية ، التي لها سرعة أولية ، في تسارع أفقي. إنها أفقية: تتميز الطائرة الفضائية بجودة هوائية ، وكلما ارتفعت السرعة الأفقية في الجو ، زاد المصعد. بالإضافة إلى ذلك ، لدخول المدار ، من الضروري تطوير سرعة أفقية تبلغ 8 كم / ثانية. الطاقة الحركية للسرعة:

$$

ولكن على ارتفاع 10 كم لا يمكنك الدخول إلى المدار: الجو في الطريق. للحصول على مدار مستقر منخفض ، تحتاج إلى كسب 200 كم. الطاقة المحتملة للارتفاع (إهمال التدرج g على الارتفاع ، نظرًا لأنه من المهم بالنسبة لنا تقدير الترتيب فقط):

$$

دعونا تقييم نسبة طاقة التسارع الأفقي والارتفاع العمودي:

$$

$$

إذا استبدلنا الأرقام ، فقد وصلنا إلى أن الطاقة اللازمة لتسلق 200 كيلومتر تقل بنحو 16 مرة عن طاقة تسلق أفقية تبلغ 8 كم / ثانية. الأمر الأكثر أهمية هو التسارع الأفقي ، حيث ستقوم الديناميكا الهوائية بمعظم أعمال الرفع.



على متن طائرة فضائية ، يمكنك وضع المحركات الصاروخية المعتادة منذ فترة طويلة والتي تنتجها صناعة الصواريخ ، محركات صواريخ الكيروسين الأكسجين. وفي الوقت نفسه ، فإن قوة المحرك أقل بكثير من حالة صاروخ الإقلاع العمودي التقليدي: لا يجب التغلب على الجاذبية بشكل مباشر ، فالطائرة الفضائية تتمتع بجودة هوائية ويدعمها مصعد في الهواء. مرة أخرى ، كلما زادت السرعة الأفقية (التي تحتاج إلى التقاطها بالفعل) - كلما زاد الغلاف الجوي قوة الطائرة إلى الفضاء.

وبمجرد وصولها إلى الفضاء ، تغادر الطائرة الفضائية في المدار حاوية مع البضائع. علاوة على ذلك ، من الأفضل في الفضاء الخارجي نقل الشحنات في الجرارات المدارية في المفاعلات النووية باستخدام مفاعل نووي . مع قوة الدفع من 1-2 نيوتن ، ومناسبة فقط للتسارع في فراغ الجاذبية الصفرية والفضاء ، فإنها توفر دفعة محددة عالية للغاية. إذا أعطى محرك كيماوي نفاثة تصل إلى 5 كم / ث ، فيمكن أن يسرع المعجل كهربائيا الأيونات إلى 300 كم / ث ، أي أكثر كفاءة 60 مرة. ومع ذلك ، ما يجب القيام به في الفضاء نفسه هو موضوع لمقال منفصل ، وليس واحدًا.



بعد الانتهاء من المهمة ، تغادر الطائرة الفضائية مدارها وتعود إلى الغلاف الجوي. إنه بالفعل فارغ وخفيف نسبيًا ، لكنه لا يزال يتمتع بجودة هوائية. وهذا يعني أن الهبوط من المدار سيكون أكثر سلاسة من الهبوط الباليستية لمركبات الهبوط التقليدية. في هذه الحالة ، يجب أن يكون للطائرة الفضائية شكل خاص لنزول أكثر سلاسة من المكوكات وبوران. هذا سوف يقلل (إن لم يكن القضاء) من الحاجة إلى الحماية الحرارية - والمواد الاستهلاكية ذات الصلة والصيانة.

تستطيع طائرة فضائية الهبوط في المطار ، حيث ستكون رحلتها التالية إلى الفضاء. هناك ، الخضوع للصيانة وتحميل البضائع. بعد ذلك ، يتم تحميل طائرة فضائية فارغة (أي وزنها حوالي 100 طن) برافعة على ظهر الطائرة An-225 وتزود بالوقود بالطائرة - وفي رحلة جديدة. من الناحية النظرية ، يمكن للطائرة An-225 أن تطلق على متن طائرة فضائية كل 4-6 ساعات ، أو أكثر من ذلك. وهذا هو ، 20-30 طن لكل مدار في اليوم ، وذلك كل يوم. عندما تبدأ الطائرات الفضائية في الطيران بثبات إلى المدار كل بضع ساعات ، يمكن للمرء بالفعل التحدث بثقة عن استكشاف الفضاء الصناعي.

لا يمكن تكرار تردد بدء التشغيل ومثل هذا الوضع التشغيلي المكثف إلا في حالة التخلص التام من المكونات لمرة واحدة مثل وحدات التعزيز أو خزان الوقود الخارجي. من الضروري أيضًا تقليل المواد المستهلكة إلى الحد الأدنى ، بحيث يتم استهلاك الكيروسين والأكسجين السائل فقط في كل مرة. يستخدم النظام الفضائي الموصوف نفس المطارات وحتى الكيروسين ذاته الذي يستخدمه الطيران التقليدي. يمكن أن يصبح أي مطار قادر على استقبال الطائرة An-225 منفذًا فضائيًا بسهولة. هناك اختلافات بين الطيران التقليدي ، لكنها تتوافق تمامًا في إطار البنية التحتية للمطار: تحميل خطة فضائية على الطائرة An-225 بواسطة رافعة ، والتزود بالوقود بالأكسجين السائل والحفاظ على خطة الفضاء في حظائر الطائرات ، والتي ، مرة أخرى ، لا ينبغي أن تكون أكثر تعقيدًا من الطائرات.



توجد الطائرة An-225 في نسخة طيران لمدة 30 عامًا. بالإضافة إلى ذلك ، هناك حالة أخرى غير مكتملة يمكن استكمالها بشكل خاص لاحتياجات برنامج الفضاء الجوي. لا توجد خطة فضائية جاهزة بعد - وهذا أمر جيد ، لأنه سيسمح لك بتصميم تصميم جديد مُحسَّن من الصفر قدر الإمكان لإطلاق جوي من طائرة حاملة وتشغيل مكثف مع الحد الأدنى من المواد الاستهلاكية والصيانة. يمكن إنتاج معظم المكونات الضرورية لبرنامج الفضاء الجوي داخل أوكرانيا.

بالإضافة إلى الرحلات الفضائية ، هناك احتمال آخر لا يقل جاذبية يفتح: شركات الطيران شبه المدارية. بعد اختبار التكنولوجيا في عمليات الإطلاق المدارية ، سيكون من الممكن تطبيقها بالفعل على نقل الركاب والبريد فائق السرعة. لن تستغرق رحلة الطائرة الفضائية على طول مسار ما دون المداري إلى أي مكان في العالم أكثر من ساعة. هل تريد أن تطير من أوروبا إلى أمريكا الجنوبية أو أستراليا في ساعة من الجاذبية الصفرية؟



في القسم 1 ، تتسارع الطائرة الفضائية في محركاتها بسرعة كافية للدخول إلى المسار دون المداري. في القسم 2 ، يطير عبر الفضاء في الجاذبية الصفرية ، والتي يشعر الركاب. في القسم 3 ، يحدث السحب الديناميكي ، وبعد ذلك يتم الهبوط في المطار المستهدف.

يمكن للمركبة الفضائية المتوافقة مع الطائرة An-225 استيعاب ما يصل إلى 60 راكبًا خلال الرحلة دون المدارية. إذا كان من الممكن في نفس الوقت تحقيق بساطة "طائرة" لتشغيل نظام الفضاء الجوي ، فستكلف التذاكر أكثر بقليل من تكلفة الطائرات التقليدية: في 15 ساعة ، بدلاً من الرحلة الطويلة المعتادة مع المسافرين ، يمكن للطائرة An-225 إدارة عدة طائرات فضائية دون مدنية ، تحمل عددًا متناسبًا من الركاب. السؤال الوحيد هو سرعة عمليات ما قبل الإطلاق ، والتي يمكن زيادتها تدريجياً (بالطبع ، ليس على حساب الأمان). يجب أن يكون هناك طائرة An-225 أخرى في الوجهة ، وتطلق طائرات فضائية في رحلة العودة.

سيكون مثل هذا النظام سهلاً للنشر والانهيار في أي مطار في العالم: يكفي في طائرة An-225 نفسها أن تجلب رافعة شاحنة لتحميل طائرة فضائية ومعدات محمولة لتسييل الأكسجين ، والذي يستخدم لملء الطائرة الفضائية. ليست هناك حاجة إلى إنشاء بنية تحتية باهظة الثمن ومعقدة وطويلة الأجل (كما هو الحال في المطارات الفضائية للصواريخ التقليدية).

لا يمكن لنظام الفضاء الذي يعاد استخدامه بالكامل فتح عصر استكشاف الفضاء الصناعي فحسب ، بل يتيح أيضًا الانتقال إلى أبعد نقطة على الأرض خلال ساعة.

UPD: في التعليقات المذكورة نسخة قابلة لإعادة الاستخدام جزئيا من MAX مع خزان وقود خارجي. وفقًا للحسابات ، سينتج النظام ذو الخزان الخارجي 19.5 طن عند خط الاستواء ، ويمكن إعادة استخدامه بالكامل - 7 أطنان. ماذا بعد؟ أثناء الإعداد المسبق الأكثر تعقيدًا لنظام مزود بخزان خارجي ، يمكنك الحصول على الوقت الكافي لإعداد وإطلاق مركبة فضائية قابلة لإعادة الاستخدام 3 مرات أو أكثر. التي ، بالمناسبة ، لديها مقصورة شحن أكبر بكثير ، وهذا هو ، فمن الممكن لعرض المزيد من البضائع ذات الحجم الكبير.

كما تمت مناقشة أن طائرة حاملة دون سرعة الصوت سوف تعطي سرعة أولية ضئيلة للغاية. إن ما يحضر الأجنحة إلى الفضاء هو انخفاض في الكتلة المفيدة ، لكن الميزة الرئيسية للنظام الموصوف ليست في السرعة الأولية للطائرة الفضائية ، وليس في كتلة الخرج. الميزة الرئيسية هي بساطة الطائرة تقريبًا وسرعة التحضير للإطلاق ، مما يقلل من تعقيد المعدات اللازمة . مرة أخرى ، بدلاً من إطلاق واحد للوسيط لمرة واحدة أو القابل لإعادة الاستخدام جزئيًا ، من الممكن تنفيذ عدة بدايات لنظام يمكن إعادة استخدامه. عن طريق تقليل تكلفة كل بداية ، سيكون أكثر ربحية.

UPD2: قد يكون الميثان المسال وقودًا أكثر ملاءمة للطائرة الفضائية من الكيروسين. المواد المبردة من الميثان السائل والأكسجين متشابهتان تقريبًا ، لذا فإن هذا سيعقد النظام قليلاً فقط. من الأفضل توصيل الوقود عن طريق السكك الحديدية ، ووضع القضبان مباشرة إلى محطة وقود المطار.

UPD3: تناولت التعليقات مدى تعقيد خدمة طائرة فضائية ، واستُشهد بالمكوك كمثال على استحالة الحد منه. ومع ذلك ، كان وزن المكوك يبدأ من 2030 طنًا ، في حين كان لديه خزان خارجي يمكن التخلص منه ومعززات قابلة لإعادة الاستخدام بشكل مشروط ، والتي لا تزال بحاجة إلى الإمساك بها في المحيط ، وتم جلبها وتزويدها بالوقود. يتطلب النظام مع Shuttle التجميع في ورشة عمل خاصة ومنصة إطلاق مع التصدير إليها. ويأتي تجميع النظام الموصوف إلى أسفل لتحميل الطائرة الفضائية على الجزء الخلفي من An-225 مع رافعة.

أما بالنسبة لصعوبة خدمة المكوك نفسه ، فإن المشكلة الرئيسية تكمن في المحركات ذات الدفع 541 طن. في خطة الإطلاق الفضائية الأفقية ذات الكتلة 275 طن ، يمكن أن يكون دفعها أقل بكثير. ربما أقل من كتلة الطائرة الفضائية ، لأن قوة الرفع تقوم بالعمل للتغلب على الجاذبية. دفع أقل - اهتزاز أقل - صيانة أسهل للمركبة الفضائية بين الرحلات الجوية.

UPD4: يجب غرق مركبة فضائية على متن طائرة بواسطة شاحنة رافعة.

الطائرة الفضائية الفارغة تزن أقل من 100 طن - وهذه الكتلة متاحة حتى لرافعات الشاحنات التسلسلية. يمكن أن تساعد الجيروسين في المركبة الفضائية نفسها (المصممة للالتفاف حول محورها في المدار) في تثبيت وتناوب الطائرة الفضائية أثناء الصعود.
يجب أن يكون هناك محول خاص لتركيب المركبة الفضائية في الجزء الخلفي من الطائرة An-225 على الجبال الخارجية. في ذلك - "الفاسد" لهيكل المركبة الفضائية. عندما تغطس رافعة الشاحنة وتطلق خطة الفضاء ، يصبح الهيكل في الموضع الصحيح تمامًا ، وبعد ذلك يتم تثبيت أدوات تثبيت إضافية. بعد التثبيت النهائي ، يحدث التزود بالوقود والإقلاع.