Credit: ototelegraf
Была ли вера в многоразовость раньше?
В 1968 году помощник директора NASA Джордж Мюллер объявил, что направлением американской астронавтики станут многоразовые транспортные космические корабли с небольшой стоимостью запуска — до $10 млн.
12 апреля 1981 года на орбиту вышел первый многоразовый космический корабль “Space Shuttle”. После возвращения с орбиты Шаттл вновь полетел уже в ноябре став первым повторно используемом аппаратом. Инженеры со всего мира убедились,что многоразовое использование ракет возможно уже сейчас.
Credit: nasa
К сожалению Шаттл показал себя с плохой черты повторного использования на тот момент. Зачастую обслуживание все равно уходило за рамки ожидаемого и вообще с экономической точки зрения Шаттлы были невероятно невыгодные. Двигатели, корпус, электроника – все это изнашивалось намного быстрее чем входило в планы Nasa. Вера в многоразовость Шаттлов остывала намного быстрее, чем росла их цена за полет. 8 июля 2011 года “Атлантис” совершил свой последний полет и эра космических “самолетов” завершилась.
Credit: NASA
В чем дороговизна ступени ?
Первое и самое элементарное – размер. Топливный бак занимает 60% от всей длинны ракеты и это только первая ступень! Не смотря на классификацию ракет, (среднего класса или сверхтяжелого) бак будет все равно самой длинной её частью.
Второе – электроника и двигатели. Двигатели выполняют важнейшую функцию вывода ракеты на орбиту. Тем самым, теряя топливный бак – вы теряете еще десяток миллион долларов за двигатели. К примеру на ракете “Atlas V” один двигатель РД-180 стоит – 13 млн $.
Credit: shazoo
Из чего делают топливный бак?
Credit: NASA
- Алюминиево-литиевой сплав (FALCON 9). Литий хороший вариант для прочности конструкции и для уменьшения веса ракеты.
- Алюминиевый сплав (Союз-2). Дешевый материал проверенный временем.
- Шаттлы тоже делались из алюминиево-литиевого сплава, но вместо этого он ещё покрывался термозащитной оболочкой из напылённой пены толщиной 2.5 см .
- SpaceX на данный момент собирают ракету Starship, у которой баки и ступень изготовлены из нержавеющей стали.
Credit: reactor
Внутренности топливного бака
Для примера разберем топливный бак ракеты Saturn V.
Извиняюсь за кривую работу в Paint)
Зеленым квадратом обозначен – бак с жидким кислородом
Так же между зеленым и красным стоит меж. баковый отсек, для укрепления конструкции. Всем известно, (кто следит за ракетами) что Сатурн 5 была очень прожорливая ракета, точнее её двигатели F-1. Для этого требовался очень большой топливный бак, а за ним еще 2 ступени + лунный модуль.
В баке с кислородом (зеленый квадрат) видны белые баллоны, они использовались для поддержки давления в баке. Для этого используется жидкий гелий и в сегодняшний день на Falcon 9. И в Falcon 9 и в Saturn V баки с гелием находятся в баке с кислородом из-за одинаковой температуры. Газообразный гелий = -268 г.ц, а Жидкий кислород = -183г.ц (данные Википедия).
Теперь возьмем область “красного круга” и посмотрим на ещё интересные детали.
Красным подчёркиванием я выделил трубы по которым жидкий кислород попадает в камеру сгорания, проходя через бак с керосином.
Такую же конструкцию можно встретить на протопите Starship (только там используется одна такая труба)
Credit: vk.com/albums-41152133
Вернемся к баку с керосином 1 ступени Сатурна 5. По всем бакам видны металлические решетки. Они нужны по многим пунктам
- Сохранение прочной конструкции
- Равномерная подача топлива в камеру сгорания
- Укрепление бака
Credit: Neopork
Конструкция топливного бака Starship немного легче, чем у Saturn V. Так же по словам Илона Маска в будущем маленький бак в самом верху головного обтекателя будет перенесен в другое место. Так что за счет тестов и испытаний возможны доработки и изменения в конструкции. Конструкция изменялась уже не раз, проходя через испытания приходилось менять от крышки бака (она была непрочная и не выдержала давление) до материала для строительства. Изначально конструкция должна была быть из углепластика, но после всех тестов оказалось что это не лучший вариант для баков.
Credit: kosmonavtiki
Будет ли уменьшение топливных баков не жертвуя мощностью?
Согласно закону сохранению энергии построить компактные топливные баки не удастся (если вы собрались лететь на большие расстояния с Земли). Но возможны и альтернативные методы решения этой задачи. К примеру ионные двигатели или двигатели с гиганским удельным импульсом (УИ). Так же имеются разработки и с магнитодинамическими двигателями, но на данный момент это остается только на бумаге.
Ионный двигатель имеет большой Delta V, но не владеет большой мощностью.
Credit: orion
Спасибо за прочтение моего материала)