Кусачий «Нейтрон» от Rocket Lab
Новозеландско-американская компания «Rocket Lab» пользуется заслуженной славой одного из первых успешных космических стартапов. Основанная в 2006 году новозеландским инженером Питером Беком, компания успешно разработала, и в 2018 году впервые запустила сверхлегкую ракету-носитель «Электрон». Созданный с применением новаторских технологий (композитная конструкция, широкое применение 3D-печати, питаемые от аккумуляторов электрические насосы вместо традиционных турбопомп), «Электрон» успешно завоевал нишу вывода легких — 225-300 кг — нагрузок. К настоящему времени, ракета уже выполнила 22 запуска, из них 19 успешных.
В настоящее время, «Rocket Lab» работает над многоразовой первой ступенью для «Электрона»: предполагается, что ступень будет спускаться на парашюте и подхватываться в воздухе вертолетом. Однако, как выяснилось, планы компании этим не ограничиваются…
На недавней презентации в декабре 2021 года, Питер Бек обнародовал планы создания «ракеты 2050 года» под названием «Нейтрон». В отличие от скромного «Электрона» (длина 18 метров, диаметр 1,2 метра, вес 12,5 тонн), «Нейтрон» уже будет ракетой среднего класса, длиной 40 метров, наибольшим диаметром 7 метров, и взлетной массой 480 тонн. Задумывается он как частично-многоразовая ракета — с возвращаемой первой и одноразовой второй ступенью. Полезная нагрузка — 8 тонн на НОО в частично-многоразовой, до 15 тонн на НОО в одноразовой конфигурации.
Из наиболее интересных деталей:
* Вторая ступень ракеты размещается ВНУТРИ первой. Аэродинамический обтекатель представляет собой четыре раскрывающиеся створки, закрепленные на первой ступени. Внутри обтекателя располагается не-аэродинамичная (голые бак, двигатель, система управления и полезная нагрузка) вторая ступень. При разделении ступеней, обтекатель раскрывается, и вторая ступень выскальзывает наружу. Затем обтекатель снова закрывается, и возвращается вместе с первой ступенью.
Такая конструкция позволяет:
Упростить процедуру спасения и повторного использования обтекателя — он просто возвращается на космодром вместе с первой ступенью.
Избавиться от необходимости таскать на второй ступени (которая, собственно, и отвечает за большую часть орбитальной скорости) аэродинамическую обшивку, наружную конструкцию и т.д. Тем самым достигается значительная экономия веса.
Оптимизирует форму первой ступени при посадке, делая ее более обтекаемой.
Любители кинофантастики не преминули отметить, что с раскладными «челюстями» обтекателя, новая ракета смахивает на космический корабль злодейской организации «Спектр» из фильмов о Джеймсе Бонде:
В фильме «Живешь только дважды», СПЕКТР использовал этот корабль, чтобы похищать советские и американские космические аппараты, тем самым провоцируя конфликт между СССР и США
* Вторая ступень не закрепляется на жестком основании, а подвешивается к первой ступени на тягах. То есть при взлете, на нее действует не сжимающая, а растягивающая нагрузка.
Такая компоновка позволяет резко и радикально снизить массу второй ступени. Вся «соль» в том, что существует не так уж и много легких и прочных материалов, хорошо выдерживающих сжатие — но зато весьма много легких и прочных композитов, хорошо справляющихся с растяжением. И изготовив вторую ступень с рассчетом на растяжение при запуске, можно сделать ее из гораздо более легких материалов, заменив жесткие опоры — тягами и троссами.
* Ракета имеет коническую форму, широкую у основания и сужающуюся к вершине. Такая форма позволяет, при входе в атмосферу, равномерно распределить давление и избежать формирования ударных волн на обшивке. В этом содействует и конический обтекатель
* Основные компоненты ракеты (включая двигатели) изготавливаются методом 3D-печати. Корпус и баки делаются из патентованного углеродного композита, обладающего высокой упругостью, и способного восстанавливать форму после нагрузок.
На презентации Бек не преминул продемонстрировать преимущества композитов в сравнении с нержавеющей сталью и алюминием. Главным аргументом, впрочем, он назвал высокую скорость изготовления композитных конструкций стереолитографическими установками (метры в минуту, против миллиметров в минуту для металлических).
* Двигатель «Архимед» на топливной паре метан/жидкий кислород рассчитан на 1.000.000 ньютонов тяги, и удельный импульс в 320 секунд. Первая ступень ракеты оснащена семью «Архимедами», вторая — одним. Семь двигателей первой ступени возвращаются вместе с ней, и используются для посадки. Двигатель второй ступени расходуется.
Двигатель откровенно «не хватает звезд с неба» и спроектирован с расчетом на максимальную дешевизну серийного производства и простоту обслуживания. Нагрузки на конструкцию сведены к минимуму. Выбор метана связан, главным образом, с желанием упростить послеполетное обслуживание — в отличие от традиционного керосина, метан не образует сажи на компонентах двигателя.
* Первая ступень ракеты рассчитана на возвращение к месту запуска и пропульсивной (с использованием двигателей) вертикальной посадки на наземную площадку. Для возвращения к месту запуска, ракета использует управляемый вход в атмосферу с двумя зажиганиями двигателя, аэродинамическое торможение и маневрирование с помощью небольших крылышек в передней части. Посадка выполняется на опоры, встроенные в стабилизаторы ракеты.
Планируется, что первая ступень сможет совершить не менее 10 полетов. За счет простоты конструкции и оптимизации обслуживания, компания хочет добиться 24-часового цикла подготовки к повторному полету. В перспективе, не исключается и возможность посадки на корабль-платформу в океане, что серьезно упростит посадочную траекторию первой ступени.
В целом, проект «Нейтрон» представляет собой смелый и оригинальный шаг в сторону оптимизации многоразовых ракет-носителей. Совершенно явно, что он создается как прямой конкурент нынешней «звезде» семейства многоразовых ракет-носителей — Falcon-9 от SpaceX. Наследуя многие удачные решения от Falcon-9, «Нейтрон» дополняет их такими новинками как кислород-метановые двигатели (значительное упрощение обслуживания), композитный корпус, интегрированные створки обтекателя. И если весьма амбициозные планы Бека будут идти строго по графику, то первый полет ожидается в 2024, а начало коммерческих рейсов — в 2025 году.
