Das Wort "Astronautik" aus der Zeit von Korolev und Gagarin bedeutet riesige Raumhäfen und Einwegraketen. Nun, nicht immer wegwerfbar - aber selbst die wiederverwendbaren Raketenstufen von Elon Mask müssen jedes Mal, wenn Sie sie mitbringen, in einer speziellen Werkstatt zusammenbauen, auf einer speziellen Startrampe installieren, tanken, prüfen - und erst dann starten. Es ist nicht verwunderlich, dass die Astronautik ein sehr teures Vergnügen ist und die massive industrielle Entwicklung der Weltraumressourcen auch jetzt noch eine vage Perspektive für die nahe Zukunft zu sein scheint.
Was kann Raketen ersetzen? Wiederverwendbares Luft- und Raumfahrtsystem. Diese Idee ist nicht neu: Nach dem Erscheinen des Flugzeugs An-225 Mriya wurden viele Luft- und Raumfahrtsysteme auf seiner Grundlage entworfen, wie aus den
Memoiren von Anatoly Vovnyanko hervorgeht , der an seiner Entwicklung beteiligt war. Das interessanteste von ihnen ist MAKS-M:
Der wichtigste Vorteil dieser Option ist die vollständige Wiederverwendbarkeit. Das Flugzeug fungiert als erste Stufe. Dadurch ist kein spezieller Raumhafen erforderlich - es kann sich um jeden Flughafen handeln, der die An-225 nehmen kann. Das Flugzeug selbst kann während seines gesamten Lebenszyklus Zehntausende von Starts von Raumfahrzeugen durchführen.
Das für die An-225 entwickelte Raumschiff kann bis zu 275 Tonnen wiegen.
Nach vorläufigen Berechnungen kann eine vollständig wiederverwendbare Version eine Erdumlaufbahn von 5,5 Tonnen bei einem Breitengrad von 51 ° bis 7 Tonnen am Äquator erreichen. Bei unvollständiger Beladung können Sie ein Raumflugzeug in der Nähe des Startflugplatzes starten (z. B. auf dem Territorium der Ukraine oder über dem Schwarzen Meer). Wenn Sie genau 7 Tonnen in die Umlaufbahn bringen müssen, kann das Flugzeug zum Äquator fliegen und dort starten.
Die Trennung von Flugzeug und Raumfahrzeug erfolgt in einer Höhe von 10 km und einer Geschwindigkeit von 236 m / s (850 km / h). Um das schwere Raumflugzeug auf der Rückseite des Flugzeugs reibungslos zu trennen, müssen Sie eine kleine negative Überlastung erzeugen. Ein Flugzeug dafür macht so etwas wie diese "Folie":
und darauf ist das Raumflugzeug getrennt. Danach kehrt das Flugzeug zum Flugplatz zurück und das Raumflugzeug mit einer Anfangsgeschwindigkeit beginnt mit der Horizontalbeschleunigung. Es ist horizontal: Das Raumflugzeug hat aerodynamische Qualität und je höher die horizontale Geschwindigkeit in der Atmosphäre ist, desto größer ist der Auftrieb. Um in die Umlaufbahn zu gelangen, muss außerdem eine
horizontale Geschwindigkeit von 8 km / s entwickelt werden. Kinetische Energie für Geschwindigkeit:
In einer Höhe von 10 km kann man jedoch nicht in die Umlaufbahn gelangen: Die Atmosphäre ist im Weg. Für eine stabile niedrige Umlaufbahn müssen Sie 200 km gewinnen. Potenzielle Energie für die Höhe (Vernachlässigung des Gradienten von g über der Höhe, da es für uns wichtig ist, nur die Reihenfolge zu schätzen):
Bewerten wir das Verhältnis der Energie von horizontaler Beschleunigung und vertikalem Anstieg:
Wenn wir die Zahlen ersetzen, erhalten wir, dass die Energie für das Klettern von 200 km etwa 16-mal geringer ist als für das Klettern einer horizontalen Geschwindigkeit von 8 km / s. Am wichtigsten ist also die horizontale Beschleunigung, bei der die Aerodynamik den größten Teil der Hebearbeiten erledigt.
Auf einem Raumflugzeug können Sie die üblichen, seit langem etablierten und von der Raketenindustrie hergestellten Sauerstoff-Kerosin-Raketentriebwerke einsetzen. Gleichzeitig ist der Schub der Triebwerke viel geringer als bei einer herkömmlichen vertikalen Startrakete: Die Schwerkraft muss nicht direkt überwunden werden, das Raumflugzeug hat aerodynamische Qualität und wird durch Auftrieb in der Luft unterstützt. Je höher die horizontale Geschwindigkeit (die Sie bereits aufnehmen müssen), desto stärker drückt die Atmosphäre das Raumflugzeug in den Weltraum.
Im Weltraum verlässt das Raumflugzeug einen Container mit Fracht im Orbit. Weiter im Weltraum ist es am besten, Fracht in Orbitalschleppern an
Kernreaktoren mit einem Kernreaktor zu transportieren . Mit einem Schub in der Größenordnung von 1-2 Newton, der nur für die Beschleunigung in Schwerelosigkeit und Raumvakuum geeignet ist, liefern sie einen sehr hohen spezifischen Impuls. Wenn ein chemischer Motor einen Strahl von bis zu 5 km / s abgibt, kann ein elektroreaktiver Beschleuniger Ionen
auf 300 km / s beschleunigen - das heißt 60-mal effizienter. Was im Weltraum selbst zu tun ist, ist jedoch ein Thema für einen separaten Artikel und nicht eines.
Nach Abschluss der Aufgabe verlässt das Raumflugzeug seine Umlaufbahn und kehrt in die Atmosphäre zurück. Es ist bereits leer und relativ leicht, hat aber dennoch aerodynamische Qualität. Dies bedeutet, dass der Abstieg aus der Umlaufbahn viel sanfter ist als der ballistische Abstieg herkömmlicher Abstiegsfahrzeuge. In diesem Fall sollte das Raumflugzeug eine spezielle Form für einen sanfteren Abstieg haben als die Shuttles und Buran. Dadurch wird der Bedarf an Wärmeschutz und damit verbundenen Verbrauchsmaterialien und Wartungsarbeiten verringert (wenn nicht sogar beseitigt).
Ein Raumflugzeug kann am Flughafen landen, von wo aus es sein nächster Flug ins All sein wird. Dort Wartung und Verladung der Ladung durchführen. Danach wird ein leeres Raumflugzeug (dh mit einem Gewicht von 100 Tonnen) mit einem Autokran auf die Rückseite der An-225 geladen, mit dem Flugzeug betankt - und auf einem neuen Flug. Theoretisch kann eine An-225 alle 4-6 Stunden oder sogar noch häufiger in einem Raumflugzeug starten. Das heißt, 20-30 Tonnen pro Umlaufbahn pro Tag und so jeden Tag. Wenn Raumflugzeuge alle paar Stunden stetig in die Umlaufbahn fliegen, kann man bereits sicher von industrieller Weltraumforschung sprechen.
Eine solche Anlauffrequenz und eine derart intensive Betriebsart sind nur möglich, wenn einmalige Komponenten wie Booster-Einheiten oder ein externer Kraftstofftank vollständig entfallen. Es ist auch notwendig, Verbrauchsmaterialien zu minimieren, idealerweise, damit jedes Mal nur Kerosin und flüssiger Sauerstoff verbraucht werden. Das beschriebene Luft- und Raumfahrtsystem verwendet dieselben Flugplätze und sogar dasselbe Kerosin wie die konventionelle Luftfahrt. Jeder Flugplatz, der An-225 empfangen kann, kann leicht zu einem Raumhafen werden. Es gibt Unterschiede zur konventionellen Luftfahrt, aber sie passen gut in den Rahmen der Flugplatzinfrastruktur: Laden eines Raumplans auf der An-225 mit einem LKW-Kran, Tanken mit flüssigem Sauerstoff und Verwalten des Raumplans in Flugplatzhangars, was wiederum nicht viel komplizierter sein sollte als Flugzeuge.
Das Flugzeug An-225 existiert seit 30 Jahren in einer Flugkopie. Darüber hinaus gibt
es eine weitere unvollendete Instanz , die speziell für die Anforderungen des Luft- und Raumfahrtprogramms abgeschlossen werden kann. Es gibt noch keinen vorgefertigten Raumplan - und das ist sogar gut so, da Sie so ein neues Design von Grund auf neu entwerfen können, das so weit wie möglich für einen Luftstart von einem Trägerflugzeug und einen intensiven Betrieb mit einem Minimum an Verbrauchsmaterial und Wartung optimiert ist. Die meisten für ein solches Luft- und Raumfahrtprogramm erforderlichen Komponenten können in der Ukraine hergestellt werden.
Neben den Raumflügen eröffnet sich eine weitere nicht weniger attraktive Perspektive: suborbitale Fluggesellschaften. Nach dem Testen der Technologie bei Orbitalstarts wird es möglich sein, sie bereits für den Ultrahochgeschwindigkeits-Personen- und Posttransport anzuwenden. Ein Raumflug entlang einer suborbitalen Flugbahn nach irgendwo auf der Welt dauert nicht länger als eine Stunde. Möchten Sie in einer Stunde Schwerelosigkeit von Europa nach Südamerika oder Australien fliegen?
In Abschnitt 1 beschleunigt das Raumflugzeug auf seinen Triebwerken auf eine Geschwindigkeit, die ausreicht, um in die suborbitale Flugbahn einzutreten. In Abschnitt 2 fliegt es in Schwerelosigkeit durch den Weltraum, was die Passagiere fühlen. In Abschnitt 3 tritt ein Luftwiderstand auf, wonach eine Landung am Zielflughafen stattfindet.
Ein mit der An-225 kompatibles Raumschiff kann während des suborbitalen Fluges bis zu 60 Passagiere aufnehmen. Wenn es gleichzeitig möglich ist, die Bedienung des Luft- und Raumfahrtsystems im Flugzeug zu vereinfachen, kosten Tickets etwas mehr als herkömmliche Flugzeuge: In 15 Stunden kann die An-225 anstelle des üblichen Langstreckenfluges mit Passagieren mehrere suborbitale Weltraumflugzeuge mit einer angemessenen Anzahl von Passagieren starten. Die einzige Frage ist die Geschwindigkeit der Vorstartvorgänge, die schrittweise erhöht werden kann (natürlich nicht zum Nachteil der Sicherheit). Am Ziel sollte sich eine weitere An-225 befinden, die auf dem Rückflug Raumflugzeuge startet.
Ein solches System lässt sich an jedem Flughafen der Welt leicht einsetzen und zusammenbrechen: Auf der An-225 selbst reicht es aus, einen LKW-Kran zum Laden eines Raumplans und tragbare Geräte zur Sauerstoffverflüssigung mitzubringen, mit denen das Raumflugzeug gefüllt wird. Der teure, komplexe und langfristige Bau einer stationären Infrastruktur (wie in Raumhäfen für konventionelle Raketen) wird nicht benötigt.
Ein vollständig wiederverwendbares Luft- und Raumfahrtsystem kann nicht nur die Ära der industriellen Weltraumforschung eröffnen, sondern es auch ermöglichen, in einer Stunde zum entferntesten Punkt der Erde zu fliegen.
UPD: In den Kommentaren wurde eine teilweise wiederverwendbare Version des MAX mit einem externen Kraftstofftank erwähnt. Das System mit einem externen Tank wird laut Berechnungen 19,5 Tonnen am Äquator abgeben und vollständig wiederverwendbar sein - 7 Tonnen. Na und? Während einer komplexeren Vorbereitung eines Systems mit einem externen Tank vor dem Start haben Sie nur 3 oder mehr Mal Zeit, ein wiederverwendbares Raumschiff vorzubereiten und zu starten. Was übrigens einen viel größeren Laderaum hat, das heißt, es ist möglich, mehr übergroße Fracht anzuzeigen.
Es wurde auch diskutiert, dass ein Unterschallträgerflugzeug sehr wenig Anfangsgeschwindigkeit geben würde. Was Flügel in den Weltraum bringen soll, ist eine Abnahme der Nutzmasse. Der Hauptvorteil des beschriebenen Systems liegt jedoch nicht in der Anfangsgeschwindigkeit des Raumflugzeugs und nicht in der Ausgangsmasse. Der Hauptvorteil ist
fast die Einfachheit des Flugzeugs und die Geschwindigkeit der Vorbereitung für den Start, wodurch die Komplexität der erforderlichen Ausrüstung minimiert wird . Anstelle eines einmaligen Starts eines einmaligen oder teilweise wiederverwendbaren Mediums ist es wiederum möglich, mehrere Starts eines wiederverwendbaren Systems durchzuführen. Durch die Minimierung der Kosten für jeden Start wird es rentabler.
UPD2: Verflüssigtes Methan ist möglicherweise ein geeigneterer Kraftstoff für ein Raumflugzeug als Kerosin. Die Kryotechnik von flüssigem Methan und Sauerstoff ist ungefähr gleich, so dass das System nur geringfügig kompliziert wird. Es ist am besten, Kraftstoff auf der Schiene zu liefern und die Schienen direkt zur Tankstelle des Flugplatzes zu verlegen.
UPD3: Die Kommentare befassten sich mit der Komplexität der Wartung eines Raumflugzeugs, und das
Shuttle wurde als Beispiel für die Unmöglichkeit angeführt, es zu reduzieren. Das Shuttle hatte jedoch ein Startgewicht von 2030 Tonnen, während es einen externen Einweg-Tank und bedingt wiederverwendbare Booster hatte, die noch im Meer gefangen, gebracht und betankt werden mussten. Das System mit dem Shuttle erforderte die Montage in einer speziellen Werkstatt und eine Startrampe mit Export dorthin. Bei der Montage des beschriebenen Systems wird das Raumflugzeug mit einem Kran auf die Rückseite der An-225 geladen.
Das Hauptproblem bei der Wartung des Shuttles selbst sind Motoren mit einem Schub von 541 Tonnen. Bei einem horizontalen Startplan mit einer Masse von 275 Tonnen kann ihr Schub erheblich geringer sein. Vielleicht sogar weniger als die Masse des Raumflugzeugs, da die Auftriebskraft die Arbeit zur Überwindung der Schwerkraft leistet. Weniger Schub - weniger Vibration - einfachere Wartung des Raumfahrzeugs zwischen den Flügen.
UPD4: Ein Raumflugzeug in einem Flugzeug muss von einem Kran untergetaucht werden
Ein leeres Raumflugzeug wiegt weniger als 100 Tonnen - und diese Masse steht auch Serien-LKW-Kranen zur Verfügung. Die
Gyrodynes des Raumfahrzeugs selbst (zum Drehen um seine Achse im Orbit) können dazu beitragen, das Raumflugzeug während des Aufstiegs zu stabilisieren und zu drehen.
Auf der Rückseite des An-225 an externen Halterungen sollte sich ein spezieller Adapter für die Montage von Raumfahrzeugen befinden. Darin - "Spurrillen" für das Chassis des Raumfahrzeugs. Wenn der LKW-Kran eintaucht und den Raumplan freigibt, befindet sich das Fahrgestell genau in der richtigen Position, wonach zusätzliche Befestigungen befestigt werden. Nach der endgültigen Fixierung erfolgt das Auftanken und Abheben.