A palavra "astronáutica" da época de Korolev e Gagarin significa enormes espaçoporto e foguetes descartáveis. Bem, nem sempre é descartável - mas mesmo os estágios reutilizáveis de foguetes de Elon Mask toda vez que você precisa trazer, montar em uma oficina especial, instalar em uma plataforma de lançamento especial, reabastecer, verificar - e só então começar. Não é de surpreender que a astronáutica seja um prazer muito caro e o enorme desenvolvimento industrial de recursos espaciais, mesmo agora, pareça uma vaga perspectiva para o futuro próximo.
O que pode substituir mísseis? Sistema aeroespacial reutilizável. Essa idéia não é nova: após o surgimento da aeronave An-225 Mriya, muitos sistemas aeroespaciais foram projetados em sua base, como pode ser aprendido nas
memórias de Anatoly Vovnyanko , que participou de sua criação. O mais interessante deles é o MAKS-M:
A vantagem mais importante dessa opção é a capacidade de reutilização total. A aeronave atua como o primeiro estágio. Isso elimina a necessidade de um espaçoporto especial - pode ser qualquer aeroporto que possa pegar o An-225. A própria aeronave pode realizar dezenas de milhares de lançamentos de naves espaciais ao longo de todo o seu ciclo de vida.
A sonda, projetada para uso com o An-225, pode pesar até 275 toneladas.
De acordo com cálculos preliminares , uma versão totalmente reutilizável pode levar à órbita terrestre baixa de 5,5 toneladas a uma latitude de 51 ° a 7 toneladas no equador. Em caso de carregamento incompleto, você pode lançar um avião espacial próximo ao aeródromo de lançamento (por exemplo, no território da Ucrânia ou sobre o Mar Negro) e, se precisar trazer exatamente 7 toneladas em órbita, o avião poderá voar para o equador e iniciar ali.
A separação da aeronave e da espaçonave ocorre a uma altitude de 10 km e a uma velocidade de 236 m / s (850 km / h). Para separar suavemente o pesado avião espacial localizado na parte traseira da aeronave, é necessário criar uma pequena sobrecarga negativa. Um plano para isso cria algo como esse "slide":
e nele o avião espacial é separado. Depois disso, o avião retorna ao campo de pouso e o avião espacial, com velocidade inicial, inicia a aceleração horizontal. É horizontal: o avião espacial tem qualidade aerodinâmica e quanto maior a velocidade horizontal na atmosfera, maior o elevador. Além disso, para entrar em órbita, é necessário desenvolver uma velocidade
horizontal de 8 km / s. Energia cinética para velocidade:
Mas a uma altitude de 10 km você não pode entrar em órbita: a atmosfera está no caminho. Para uma órbita baixa estável, você precisa ganhar 200 km. Energia potencial para altura (negligenciando o gradiente de g sobre altura, pois é importante apenas estimar a ordem):
Vamos avaliar a razão da energia de aceleração horizontal e elevação vertical:
Se substituirmos os números, obtemos que a energia para escalar 200 km é cerca de 16 vezes menor do que para escalar uma velocidade horizontal de 8 km / s. Então, o que mais importa é a aceleração horizontal, na qual a aerodinâmica fará a maior parte do trabalho de elevação.
Em um avião espacial, você pode colocar os motores de foguete oxigênio-querosene de costume, estabelecidos há muito tempo e produzidos pela indústria de foguetes. Ao mesmo tempo, o impulso do motor é muito menor do que no caso de um foguete de decolagem vertical convencional: a gravidade não precisa ser superada diretamente, o avião espacial tem qualidade aerodinâmica e é sustentado por sustentação no ar. Novamente, quanto maior a velocidade horizontal (que você já precisa captar) - mais forte a atmosfera empurrará o avião espacial para o espaço.
Uma vez no espaço, o avião espacial deixa em órbita um contêiner com carga. Mais adiante no espaço sideral, é melhor transportar carga em rebocadores orbitais em
reatores nucleares com um reator nuclear . Com um empuxo da ordem de 1-2 Newton, adequado apenas para aceleração em gravidade zero e vácuo espacial, eles fornecem um impulso específico muito alto. Se um motor químico produz um jato de até 5 km / s, um acelerador eletrorreativo pode acelerar os íons
para 300 km / s - ou seja, 60 vezes mais eficiente. No entanto, o que fazer no espaço em si é um tópico para um artigo separado, e não um.
Depois de concluir a tarefa, o avião espacial sai de sua órbita e retorna à atmosfera. Já está vazio e relativamente leve, mas ainda possui qualidade aerodinâmica. Isso significa que a descida da órbita será muito mais suave que a descida balística dos veículos convencionais de descida. Nesse caso, o avião espacial deve ter um formato especial para uma descida mais suave do que os ônibus espaciais e Buran. Isso reduzirá (se não eliminar) a necessidade de proteção térmica - e consumíveis e manutenção relacionados.
Um avião espacial pode pousar no aeroporto, a partir do qual será seu próximo vôo ao espaço. Lá, passam por manutenção e carregamento de carga. Depois disso, um avião espacial vazio (pesando 100 toneladas) é carregado com uma autocrane na parte traseira do An-225, reabastecendo com o avião - e em um novo voo. Teoricamente, um An-225 pode ser lançado em um avião espacial a cada 4-6 horas, ou ainda mais frequentemente. Ou seja, 20 a 30 toneladas por órbita por dia, e assim todos os dias. Quando os aviões espaciais começam a voar constantemente em órbita a cada poucas horas, já é possível falar com confiança sobre a exploração espacial industrial.
Essa frequência de inicialização e um modo de operação intensivo são possíveis apenas se componentes únicos, como unidades de reforço ou um tanque de combustível externo, forem completamente eliminados. Também é necessário minimizar os consumíveis, idealmente para que cada vez que apenas querosene e oxigênio líquido sejam consumidos. O sistema aeroespacial descrito utiliza os mesmos campos de aviação e até o mesmo querosene da aviação convencional. Qualquer aeródromo capaz de receber o An-225 pode facilmente se tornar um espaçoporto. Existem diferenças em relação à aviação convencional, mas elas se encaixam bem na estrutura da infraestrutura do aeródromo: carregar um plano espacial no An-225 com um guindaste de caminhão, reabastecer com oxigênio líquido e manter o plano espacial em hangares de aeródromos, que, novamente, não devem ser muito mais complicados que as aeronaves.
O avião An-225 existe em uma cópia voadora há 30 anos. Além disso, há
outra instância inacabada que pode ser concluída especificamente para as necessidades do programa aeroespacial. Ainda não existe um plano de espaço pronto - e isso é bom, pois permitirá projetar do zero um novo design que seja otimizado o máximo possível para um lançamento aéreo de uma aeronave transportadora e operação intensiva com um mínimo de consumíveis e manutenção. A maioria dos componentes necessários para esse programa aeroespacial pode ser produzida na Ucrânia.
Além dos vôos espaciais, outra perspectiva não menos atraente se abre: as companhias aéreas suborbitais. Após testar a tecnologia em lançamentos orbitais, será possível aplicá-la já para o transporte de passageiros e correio de velocidade ultra-alta. Um vôo de avião espacial ao longo de uma trajetória suborbital para qualquer lugar do mundo não levará mais que uma hora. Deseja voar da Europa para a América do Sul ou Austrália em uma hora de gravidade zero?
Na seção 1, o avião espacial acelera em seus motores a uma velocidade suficiente para entrar na trajetória suborbital. Na Seção 2, ele voa pelo espaço em gravidade zero, o que os passageiros sentem. Na seção 3, ocorre um arrasto aerodinâmico, após o qual ocorre o pouso no aeroporto de destino.
Uma espaçonave compatível com o An-225 pode acomodar até 60 passageiros durante o vôo suborbital. Se, ao mesmo tempo, for possível alcançar a simplicidade de "avião" de operar o sistema aeroespacial, os bilhetes custarão um pouco mais do que as aeronaves convencionais: em 15 horas, em vez do voo de longa distância habitual com passageiros, o An-225 pode conseguir lançar vários aviões espaciais suborbitais, transportando um número proporcional de passageiros. A única questão é a velocidade das operações de pré-lançamento, que podem ser aumentadas gradualmente (é claro, não em detrimento da segurança). Deveria haver outro An-225 no destino, lançando aviões espaciais no voo de retorno.
Esse sistema será fácil de implantar e desmoronar em qualquer aeroporto do mundo: basta o An-225 trazer um guindaste de caminhão para carregar um plano espacial e equipamento portátil para liquefação de oxigênio, usado para encher o avião espacial. A construção cara, complexa e de longo prazo da infraestrutura estacionária (como no espaço-porto para mísseis convencionais) não é necessária.
Um sistema aeroespacial totalmente reutilizável pode não apenas abrir a era da exploração espacial industrial, mas também possibilitar voar para o ponto mais distante da Terra em uma hora.
UPD: nos comentários mencionados uma versão parcialmente reutilizável do MAX com um tanque de combustível externo. O sistema com tanque externo, de acordo com os cálculos, produzirá 19,5 toneladas no equador e totalmente reutilizável - 7 toneladas. E daí? Durante uma preparação de pré-lançamento mais complexa de um sistema com um tanque externo, você pode ter tempo para preparar e lançar uma espaçonave reutilizável 3 ou mais vezes. Que, aliás, possui um compartimento de carga muito maior, ou seja, é possível exibir cargas de maiores dimensões.
Também foi discutido que uma aeronave de transporte subsônico daria muito pouca velocidade inicial. O que trazer asas ao espaço é uma diminuição da massa útil, mas a principal vantagem do sistema descrito não está na velocidade inicial do avião espacial, nem na massa de saída. A principal vantagem é
quase a simplicidade da aeronave e a velocidade de preparação para o lançamento, minimizando a complexidade do equipamento necessário . Novamente, em vez de um único lançamento de um meio descartável ou parcialmente reutilizável, é possível executar várias partidas de um sistema reutilizável. Ao minimizar o custo de cada partida, será mais rentável.
UPD2: O metano liquefeito pode ser um combustível mais adequado para um avião espacial do que o querosene. A criogenia do metano líquido e do oxigênio é praticamente a mesma, portanto isso apenas complicará um pouco o sistema. É melhor fornecer combustível por via férrea, colocando os trilhos diretamente no posto de gasolina do aeroporto.
UPD3: os comentários abordaram a complexidade de manutenção de um avião espacial e o
Shuttle foi citado como um exemplo da impossibilidade de reduzi-lo. No entanto, o ônibus espacial tinha um peso inicial de 2030 toneladas, enquanto possuía um tanque externo descartável e boosters condicionais reutilizáveis, que ainda precisavam ser capturados no oceano, trazidos e reabastecidos. O sistema com o Shuttle exigia montagem em uma oficina especial e uma plataforma de lançamento com exportação para ele. E a montagem do sistema descrito se resume a carregar o avião espacial na parte traseira do An-225 com um guindaste.
Quanto à dificuldade de manutenção do ônibus, o principal problema são os motores com um empuxo de 541 toneladas. Em um plano de lançamento espacial horizontal com uma massa de 275 toneladas, seu impulso pode ser significativamente menor. Talvez até menos que a massa do avião espacial, já que a força de elevação faz o trabalho para superar a gravidade. Menos empuxo - menos vibração - manutenção mais fácil da espaçonave entre os vôos.
UPD4: um avião espacial em um avião deve ser submerso por um guindaste de caminhão.
Um avião espacial vazio pesa menos de 100 toneladas - e essa massa está disponível mesmo para guindastes de caminhão em série. As
girodinas da própria espaçonave (projetadas para girar em torno de seu eixo em órbita) podem ajudar a estabilizar e girar o avião espacial durante a subida.
Na parte traseira do An-225 em suportes externos, deve haver um adaptador especial para a montagem de naves espaciais. Nele - "sulcos" para o chassi da espaçonave. Quando o guindaste do caminhão mergulha e libera o plano de espaço, o chassi fica exatamente na posição correta, após o que são fixados adicionais. Após a fixação final, ocorre o reabastecimento e a decolagem.