Sistem de lansare reutilizabil

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Lansarea Space Shuttle Discovery de la Kennedy Space Center

Un sistem de lansare reutilizabil sau vehicul de lansare reutilizabil (în engleză: reusable launch system, RLS sau vehicul de lansare reutilizabil, RLV) este un sistem de lansare spațială menit să permită recuperarea totală sau parțială a părților sistemului pentru reutilizare ulterioară. Până în prezent, au fost lansate multe sisteme suborbitale complet reutilizabile și sisteme orbitale parțial reutilizabile. Cu toate acestea, problemele de proiectare sunt extrem de dificile și nu au fost arătate niciun sistem orbital complet reutilizabil. Au fost propuse o mare varietate de idei de sistem și multe au fost lansate.

Primul avion care a efectuat zbor suborbital a fost X-15 din America de Nord . Primul vehicul reutilizabil care a atins orbita a fost naveta spațială NASA . Acesta a fost menit să fie mai ieftin decât sistemele de lansare nereutilizabile , dar a ajuns să fie mai scump. Ultimul Shuttle a fost retras în 2011.

În secolul XXI, interesul comercial pentru sistemele de lansare reutilizabile a crescut. Racheta Falcon 9 a SpaceX are o primă etapă reutilizabilă și o a doua nu, și este în prezent utilizată pentru programul de servicii comerciale de transport orbital al NASA și pentru lansările comerciale de satelit. În plus, SpaceX dezvoltă BFR complet reutilizabil pentru misiuni interplanetare cu echipaj. Scaled Composites a lansat două prototipuri de avioane spațiale suborbitale pentru Virgin Galactic , în timp ce racheta New Shepard de la Blue Origin are prima și a doua etapă recuperabile, dar este capabilă doar de zboruri suborbitale.

Configurațiile vehiculului

Etapa unică

Există două abordări pentru o singură etapă de orbită sau SSTO, adică vehiculele care intră pe orbită cu o singură etapă. Ecuația rachetei spune că un vehicul SSTO are nevoie de un raport de masă ridicat. „Raportul de masă” este definit ca raportul dintre masa vehiculului pe combustibil complet și greutatea sa zero (ZFW).

O modalitate de a crește raportul de masă este de a reduce masa vehiculului gol, utilizând structuri ușoare și motoare de înaltă eficiență. Acest lucru tinde să crească costurile de întreținere, deoarece fiabilitatea componentelor poate fi diminuată, ceea ce face ca reutilizarea să fie mai costisitoare.

O altă modalitate este de a reduce greutatea oxidantului transportat prin arderea combustibilului în aer în timpul fazei atmosferice a zborului. Ar folosi un ciclu dublu de propulsie ca motor al ciclului de aer lichid (ciclu motor cu aer ridicat lichefiat ) sau motorul propus SABRE .

Marjele sunt atât de strânse cu abordarea SSTO încât nu este sigur dacă un astfel de vehicul ar putea transporta sarcina utilă pe orbită.

O altă modalitate de a face SSTO-urile să funcționeze este de a reduce viteza necesară pentru ca vehiculul de lansare să ajungă pe orbită. Acest lucru se poate face folosind o clapetă de sol suplimentară pentru a duce vehiculul la Mach 1 sau mai mare, prin lansarea vehiculului dintr-un zbor deja în zbor, cum ar fi Stratolaunch , sau prin utilizarea unui sistem de lansare combinat .

Etape multiple

Two stage to orbit (TSTO) folosește două vehicule, unite la lansare. De obicei, cel de-al doilea orbitator este de 5-10 ori mai mic decât lansatorul din prima etapă, deși în configurațiile biameze și triameze [1] ambele vehicule au aceeași dimensiune.

În plus față de costul dezvoltării a două vehicule independente, trebuie evaluată și complexitatea interacțiunilor dintre acestea și separare.

În plus, prima etapă trebuie să revină la site-ul de lansare pentru a fi reutilizată. Pentru a face acest lucru, s-a propus să parcurgeți o traiectorie care menține prima etapă deasupra sau în apropierea site-ului pe tot parcursul zborului, fie folosind motoare mici pentru a readuce vehiculul înapoi, fie recuperând prima etapă departe de site și readucându-l în altfel (făcându-l deseori să aterizeze pe mare și apoi să-l ducă înapoi la navă). Majoritatea tehnicilor implică sancțiuni de performanță, de exemplu, poate fi necesar să se facă prima etapă de multe ori mai mare pentru aceeași sarcină utilă. Cu toate acestea, recuperarea în afara site-ului ar putea reduce penalizarea.

A doua etapă este returnată în mod normal după câteva orbite.

Acesta este, de asemenea, numit un sistem de lansare combinat. [2]

Aterizare

Vehiculele care aterizează orizontal pe o pistă au nevoie de aripi și tren de aterizare. De obicei, acestea consumă aproximativ 9-12% din masa vehiculului, ceea ce fie reduce sarcina utilă, fie mărește dimensiunea vehiculului. Concepte precum corpurile portante oferă o oarecare reducere a masei aripilor la fel ca și aripa delta a Navetei Spațiale .

Aterizările verticale ar putea fi realizate fie cu parașuta (ca pentru Soiuz ), fie prin propulsie. DC-X este un exemplu de aterizare propulsivă, [3] iar racheta Falcon 9 este prima rachetă orbitală cu prima etapă care aterizează vertical pe pământ. Acest lucru necesită de obicei aproximativ 10% din propulsorul din prima etapă, reducând disproporționat sarcina utilă, datorită ecuației rachetei . [4]

Aterizarea unei Navete Spațiale are loc cu reintrarea în atmosferă, înclinată cu nasul între 10 și 45 de grade (toate controlate de un computer de bord), astfel încât carena să nu fie deteriorată de căldura neîncetată a scut termic. După căldura întoarcerii, naveta se îndreaptă aproape mișcându-se din cauza aripilor mici către Centrul Spațial Kennedy și la aproximativ 1 km distanță de banda de aterizare se înclină pentru a accelera viteza orizontal ca într-un avion și pentru a se pregăti pentru aterizând cu uneltele coborâte. La atingerea solului, o parașută situată pe aripa din spate deasupra propulsoarelor navei se deschide, permițând rachetei care călătoresc cu peste 100 km / h să frâneze înainte ca pista să se termine.

Probleme de proiectare

Masa

Orice RLV degradează performanța lansatorului în comparație cu ELV-urile ( vehicule de lansare nereutilizabile ) datorită masei inerte a etapei suplimentare. Această masă suplimentară este aproape inevitabilă datorită prezenței unor sisteme mecanice sau de propulsie suplimentare sau a combustibilului suplimentar necesar pentru întoarcerea în siguranță a treptelor RLV. Cantitatea reală de masă suplimentară și modul în care este distribuită între structură și propulsor depinde de modul ales pentru întoarcerea etapelor RLV și de viteza de etapizare. [5]

Ecran de căldură la reintrare

Ca regulă generală, 15% din masa vehiculului la reintrarea atmosferică trebuie să fie dedicată ecranării termice. [6]

Ecranele termice (în engleză Thermal Protection System, sau TPS) pot fi realizate din diverse materiale, cum ar fi materiale armate carbon-carbon sau materiale ablative. [7] Din punct de vedere istoric, aceste materiale au fost dezvoltate pe MIRV-uri . Cu toate acestea, cerințele pentru sistemele spațiale reutilizabile diferă de cele pentru vehiculele de unică folosință, în special în ceea ce privește cerințele de protecție termică. În special, necesitatea unui strat durabil de înaltă emisivitate care să reziste la cicluri termice multiple este o cerință crucială în dezvoltarea navelor spațiale refolosibile. În prezent, pentru a avea acoperiri cu emisivitate ridicată, se utilizează disilicidele metalelor de tranziție. [8]

Costul dezvoltării

Costurile de cercetare și dezvoltare (R&D) pentru vehiculele reutilizabile sunt de așteptat să fie mai mari, deoarece construirea unui vehicul reutilizabil implică o face suficient de robustă pentru a rezista la mai multe utilizări. Cea mai ușoară modalitate de a crește puterea este de a adăuga vrac; cu toate acestea, acest lucru reduce performanța și exercită o presiune suplimentară asupra sectorului cercetării și dezvoltării pentru a o recupera în alt mod.

Aceste costuri suplimentare trebuie recuperate, ceea ce crește costul mediu al unui vehicul.

Istorie

ROMBUS
Avionul aerospațial 1
McDonnell Douglas DC-X a decolat și aterizat vertical (VTOL)

Odată cu invenția propulsiei de rachete în prima jumătate a secolului al XX-lea, călătoriile spațiale dincolo de atmosferă au devenit posibile din punct de vedere tehnologic.

Ideile primitive ale navei spațiale reutilizabile cu o singură etapă s- au dovedit nerealiste și, deși primele vehicule rachete adevărate, cum ar fi arma V-2 din al doilea război mondial, puteau ajunge la marginea atmosferei, tehnologia reutilizabilă era prea grea, iar rachetele erau de unică folosință. Problema eficienței masei ar putea fi depășită prin utilizarea mai multor etape și au fost propuse atât rachete cu mai multe etape lansate vertical, cât și plante spațiale compuse lansate orizontal. Cu toate acestea, primele etape refolosibile nu au apărut decât la apariția Navetei Spațiale în 1981.

Vehiculele orbitale refolosibile moderne includ X-37 și Dream Chaser pe lângă capsulele Dragon .

Secolul douăzeci

În timpul celui de-al doilea război mondial, inginerul austriac Eugen Sänger a propus Silbervogel , un bombardier suborbital. Vehiculele HOTOL ( decolare și aterizare orizontale ) care pot atinge viteze orbitale sunt mai dificil de proiectat decât VTOL ( decolare și aterizare verticale ), datorită greutății structurale mai mari. Acest lucru a condus la multe prototipuri în mai multe etape, cum ar fi suborbitalul X-15 . Primul prototip al HOTOL SSTO este avionul aerospațial. Printre propunerile făcute pentru a face construcția unui astfel de vehicul mai viabilă se numără:

  • Lansare asistată de rampă [9]
  • Utilizați construcții portante pentru a reduce masa structurală a vehiculului
  • Realizați combustibil în timpul zborului

În anii 1960, NEXUS , un lansator parțial reutilizabil în mai multe etape, a fost studiat de Krafft Arnold Ehricke . Philip Bono a lucrat în Douglas și a propus diferite vehicule de lansare SSTO și VTOL: ROOST, ROMBUS, Ithacus, Pegasus și SASSTO. Majoritatea vehiculelor sale au combinat inovații similare pentru a fi SSTO.

Secolul douazeci si unu

Scaled Composites SpaceShipOne a folosit aterizarea orizontală după ce a fost lansată dintr-un avion

Concursul Ansari X Prize și-a propus să dezvolte vehicule suborbitale private reutilizabile. Multe companii private au concurat, iar Scaled Composites a câștigat, ajungând la linia lui Kármán de două ori în intervalul de două săptămâni cu SpaceShipOne .

În 2012, SpaceX a început un program de testare a zborului cu vehicule experimentale. Acestea au dus la dezvoltarea lansatorului reutilizabil Falcon 9 . [10]

Pe 23 noiembrie 2015, racheta New Shepard a Blue Origin a devenit prima rachetă VTOL care a traversat linia Kármán (100 de kilometri), atingând o altitudine de 100,5 kilometri înainte de a reveni cu o aterizare cu parașuta. [11] [12]

SpaceX a realizat prima aterizare verticală moale a unui stadion reutilizabil pe 21 decembrie 2015, după ce a ajutat la aducerea a 11 sateliți comerciali Orbcomm OG-2 pe orbita joasă a Pământului . [13]

Al doilea zbor al Falcon 9 a avut loc la 30 martie 2017. [14] SpaceX revendică și reutilizează în mod regulat primele lor etape, precum și carenaje. [15]

În martie 2019, singurul rapel orbital reutilizabil operațional a fost Falcon 9. [16]

Lista sistemelor active de lansare reutilizabile

Agenţie Tip Țară Stat Notă
Originea albastră Noul Shepard Statele Unite ale Americii Prototip
ISRO RLV-TD India Proiect Test de zbor reușit [17]
The Spaceship Company SpaceShipTwo Statele Unite ale Americii Prototip
SpaceX Șoimul 9 Statele Unite ale Americii Operare Prima etapă reutilizabilă.
SpaceX Falcon Heavy Statele Unite ale Americii Operare Amplificatoare reutilizabile centrale și laterale.
SpaceX Starship / Super Heavy Statele Unite ale Americii Prototip
Laboratorul de rachete Electron Noua Zeelanda Semi-operator Am efectuat câteva teste de recuperare a rapelului

Notă

  1. ^ (EN) Triamese pe astronautix.com (depus de „URL original 27 decembrie 2014).
  2. ^ (RO) Cum funcționează sistemul de lansare combinată - Deschiderea frontierei înalte , în Deschiderea frontierei înalte, 4 septembrie 2017.
  3. ^ Eric Berger, Jeff Bezos și Elon Musk sparg gravitatea aterizării rachetelor Blue Origin , pe Ars Technica . Adus la 25 noiembrie 2015 .
  4. ^ SpaceX pe Twitter , în Twitter . Adus pe 7 ianuarie 2016 .
  5. ^ (EN) Martin Sippel, Sven Stappert, Leonid Bussler, Etienne Dumont, Evaluarea sistematică a opțiunilor de returnare reutilizabile în prima etapă (PDF) pe elib.dlr.de.
  6. ^ Winchell D. Jr. Chung, Basic Design , în Atomic Rockets , Projectrho.com, 30 mai 2011. Accesat la 4 iulie 2011 .
  7. ^ Sylvia Johnson, Materiale de protecție termică: dezvoltare, caracterizare și evaluare ( PDF ), la ntrs.nasa.gov , NASA Ames Research Center, septembrie 2012.
  8. ^ Acoperiri cu emisivitate ridicată pe ceramică fibroasă pentru sisteme spațiale reutilizabile Știința coroziunii 2019
  9. ^ (EN) The Maglifter: An Advanced Concept Using Electromagnetic Propulsion in Reducing the Cost of Space Launch (PDF) pe forum.nasaspaceflight.com, NASA.
  10. ^ Clark Lindsey, SpaceX care se îndreaptă rapid către prima etapă fly-back , NewSpace Watch , 28 martie 2013. Accesat pe 29 martie 2013 .
  11. ^ Blue Origin Makes Historic Reusable Rocket Landing in Epic Test Flight , in Space.Com , 24 noiembrie 2015. Accesat 25 noiembrie 2015 .
  12. ^ Eric Berger, Jeff Bezos și Elon Musk sparg gravitatea aterizării rachetelor Blue Origin , pe Ars Technica . Adus la 25 noiembrie 2015 .
  13. ^ SpaceX pe Twitter: aterizarea Falcon 9 în prima etapă este confirmată. A doua etapă continuă nominal. , în Twitter .
  14. ^ SpaceX lansează cu succes prima rachetă reciclată - video , în The Guardian , 31 martie 2017.
  15. ^ SpaceX a recuperat conul nasului greu Falcon , intenționează să-l zboare în acest an , pe space.com .
  16. ^ Film audio Devenind o specie multiplanetă , SpaceX, 29 septembrie 2017.
  17. ^ Demonstratorul tehnologiei vehiculelor de lansare reutilizabile din India (RLV-TD), testat cu succes la zbor , la isro.gov.in.

Bibliografie

  • Heribert Kuczera, Sisteme de transport spațial reutilizabile , Berlin, Springer, 2011, ISBN 978-3-540-89180-2 .

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității LCCN (EN) sh85113404 · GND (DE) 4177055-9
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Reusable_Launch_System&oldid=121098389 ”