On pense que les technologies évoluent toujours progressivement, du simple au complexe, du couteau de pierre à l'acier - et seulement ensuite à une fraiseuse programmée. Cependant, le sort des fusées spatiales s'est avéré moins simple. La création de missiles à un étage simples et fiables est longtemps restée inaccessible aux concepteurs. Il fallait des solutions que ni les scientifiques des matériaux ni les ingénieurs moteurs ne pouvaient offrir. Jusqu'à présent, les lanceurs restent à plusieurs étages et jetables: un système incroyablement complexe et coûteux est utilisé pendant quelques minutes, après quoi il est jeté
"Imaginez qu'avant chaque vol vous assembleriez un nouvel avion: vous connecteriez le fuselage aux ailes, poseriez les câbles électriques, installeriez les moteurs, et après l'atterrissage vous l'enverriez dans une décharge… Vous ne volerez pas loin comme ça », nous ont dit les développeurs du State Missile Center. Makeeva. « Mais c'est exactement ce que nous faisons chaque fois que nous envoyons une cargaison en orbite. Bien sûr, idéalement, tout le monde aimerait avoir une "machine" fiable à un étage qui ne nécessite pas d'assemblage, mais arrive au cosmodrome, ravitaillée et lancée. Et puis ça revient et ça recommence - et encore "…
A mi-chemin
Dans l'ensemble, la fusée a essayé de s'en sortir avec une seule étape des premiers projets. Dans les premières esquisses de Tsiolkovsky, de telles structures apparaissent. Il n'abandonna cette idée que plus tard, réalisant que les technologies du début du XXe siècle ne permettaient pas de réaliser cette solution simple et élégante. L'intérêt pour les transporteurs à une seule étape a repris dans les années 1960, et de tels projets étaient en cours d'élaboration des deux côtés de l'océan. Dans les années 1970, les États-Unis travaillaient sur des fusées à un étage SASSTO, Phoenix et plusieurs solutions basées sur le S-IVB, le troisième étage du lanceur Saturn V, qui a transporté des astronautes sur la lune.
"Une telle option ne différerait pas en termes de capacité de charge, les moteurs n'étaient pas assez bons pour cela - mais ce serait quand même un étage, tout à fait capable de voler en orbite", poursuivent les ingénieurs. "Bien sûr, économiquement, ce serait complètement injustifié." Les composites et les technologies pour travailler avec eux ne sont apparus qu'au cours des dernières décennies, ce qui permet de rendre le support en une étape et, de plus, réutilisable. Le coût d'une telle fusée "à forte intensité scientifique" sera plus élevé que celui d'une conception traditionnelle, mais il sera "réparti" sur de nombreux lancements, de sorte que le prix de lancement sera bien inférieur au niveau habituel.
C'est la réutilisation des médias qui est l'objectif principal des développeurs aujourd'hui. Les systèmes de la navette spatiale et d'Energia-Buran étaient partiellement réutilisables. L'utilisation répétée du premier étage est en cours de test pour les fusées SpaceX Falcon 9. SpaceX a déjà effectué plusieurs atterrissages réussis et, fin mars, ils tenteront de lancer à nouveau l'un des étages qui ont volé dans l'espace. « À notre avis, cette démarche ne peut que discréditer l'idée de créer un véritable média réutilisable », note le Makeev Design Bureau. "Vous devez encore trier une telle fusée après chaque vol, installer des connexions et de nouveaux composants jetables … et nous sommes de retour à notre point de départ."
Les supports entièrement réutilisables ne le sont encore que sous forme de projets - à l'exception du New Shepard de la société américaine Blue Origin. Jusqu'à présent, la fusée avec une capsule habitée est conçue uniquement pour les vols suborbitaux de touristes spatiaux, mais la plupart des solutions trouvées dans ce cas peuvent être facilement adaptées à un porteur orbital plus sérieux. Les représentants de la société ne cachent pas leur intention de créer une telle option, pour laquelle de puissants moteurs BE-3 et BE-4 sont déjà en cours de développement. "A chaque vol suborbital, nous nous approchons de l'orbite", a assuré Blue Origin. Mais leur porteur prometteur New Glenn ne sera pas non plus entièrement réutilisable: seul le premier bloc, créé sur la base du design New Shepard déjà testé, devrait être réutilisé.
Résistance matérielle
Les matériaux CFRP requis pour les fusées entièrement réutilisables et à un étage sont utilisés dans la technologie aérospatiale depuis les années 1990. Au cours de ces mêmes années, les ingénieurs de McDonnell Douglas ont rapidement commencé à mettre en œuvre le projet Delta Clipper (DC-X), et aujourd'hui, ils pourraient bien se vanter d'un transporteur en fibre de carbone prêt à l'emploi et volant. Malheureusement, sous la pression de Lockheed Martin, les travaux sur DC-X ont été interrompus, les technologies ont été transférées à la NASA, où ils ont essayé de les utiliser pour le projet infructueux VentureStar, après quoi de nombreux ingénieurs impliqués dans ce sujet sont allés travailler chez Blue Origin, et la société elle-même a été reprise par Boeing.
Dans les mêmes années 1990, la SRC russe Makeev s'est intéressée à cette tâche. Depuis lors, le projet KORONA ("Space rocket, single-stage carrier of [space] véhicules") a connu une évolution notable, et des versions intermédiaires montrent comment la conception et la disposition sont devenues de plus en plus simples et parfaites. Peu à peu, les développeurs ont abandonné des éléments complexes - tels que des ailes ou des réservoirs de carburant externes - et ont compris que le matériau du corps principal devait être en fibre de carbone. Avec l'apparence, le poids et la capacité de charge ont changé. "En utilisant même les meilleurs matériaux modernes, il est impossible de construire une fusée à un étage pesant moins de 60 à 70 tonnes, alors que sa charge utile sera très faible", explique l'un des développeurs. - Mais au fur et à mesure que la masse de départ augmente, la structure (jusqu'à une certaine limite) a une part de plus en plus petite, et il devient de plus en plus rentable de l'utiliser. Pour une fusée orbitale, cet optimum est d'environ 160-170 tonnes, à partir de cette échelle son utilisation peut déjà se justifier."
Dans la dernière version du projet KORONA, la masse de lancement est encore plus élevée et approche les tonnes 300. Une telle fusée à un étage nécessite l'utilisation d'un moteur à réaction à propergol liquide très efficace fonctionnant à l'hydrogène et à l'oxygène. Contrairement aux moteurs à étages séparés, un tel moteur-fusée à propergol liquide doit pouvoir fonctionner dans des conditions très différentes et à des altitudes différentes, y compris le décollage et le vol hors atmosphère. "Un moteur à propergol liquide conventionnel avec des tuyères Laval n'est efficace qu'à certaines plages d'altitude", expliquent les concepteurs de Makeevka. Le jet de gaz de ces moteurs s'ajuste à la pression "à la mer", et ils maintiennent l'efficacité à la fois en surface et haut dans la stratosphère.
Jusqu'à présent, il n'y a pas de moteur fonctionnel de ce type dans le monde, bien qu'ils aient été et soient traités à la fois dans notre pays et aux États-Unis. Dans les années 1960, les ingénieurs de Rocketdyne ont testé de tels moteurs sur un support, mais ils n'ont pas été installés sur des missiles. CROWN devrait être équipé d'une version modulaire, dans laquelle la buse à coin-air est le seul élément qui n'a pas encore de prototype et n'a pas été testé. Il existe également toutes les technologies pour la production de pièces composites en Russie - elles ont été développées et utilisées avec succès, par exemple, à l'Institut panrusse des matériaux d'aviation (VIAM) et à l'OJSC «Kompozit».
Coupe verticale
Lors des vols dans l'atmosphère, la structure en plastique renforcé de fibre de carbone du CORONA sera recouverte de tuiles de protection thermique développées par VIAM pour les Bouranes et ont depuis été sensiblement améliorées."La principale charge thermique de notre fusée est concentrée sur son" nez ", où des éléments de protection thermique à haute température sont utilisés, - expliquent les concepteurs. - Dans ce cas, les côtés en expansion de la fusée ont un diamètre plus important et forment un angle aigu avec le flux d'air. La charge thermique sur eux est moindre, ce qui permet l'utilisation de matériaux plus légers. En conséquence, nous avons économisé plus de 1,5 tonne. La masse de la partie haute température ne dépasse pas 6% de la masse totale de la protection thermique. A titre de comparaison, il représente plus de 20 % des Navettes. »
La conception effilée et élégante du support est le résultat d'innombrables essais et erreurs. Selon les développeurs, si vous ne prenez que les caractéristiques clés d'un éventuel transporteur à une seule étape réutilisable, vous devrez en considérer environ 16 000 combinaisons. Des centaines d'entre eux ont été appréciés par les designers tout en travaillant sur le projet. « Nous avons décidé d'abandonner les ailes, comme sur Bourane ou sur la navette spatiale », disent-ils. - En gros, dans la haute atmosphère, ils n'interfèrent qu'avec les engins spatiaux. De tels navires entrent dans l'atmosphère à une vitesse hypersonique pas meilleure qu'un "fer", et ce n'est qu'à une vitesse supersonique qu'ils passent en vol horizontal et peuvent correctement s'appuyer sur l'aérodynamique des ailes."
La forme conique axisymétrique permet non seulement une protection thermique plus facile, mais offre également un bon aérodynamisme lors de la conduite à très grande vitesse. Déjà dans les couches supérieures de l'atmosphère, la fusée reçoit une portance, ce qui lui permet non seulement de freiner ici, mais aussi de manœuvrer. Ceci, à son tour, permet d'effectuer les manœuvres nécessaires à haute altitude, en direction du site d'atterrissage, et dans le futur vol, il ne reste plus qu'à terminer le freinage, corriger la trajectoire et virer vers l'arrière, en utilisant des moteurs de manœuvre faibles.
Rappelez-vous à la fois le Falcon 9 et le New Shepard: il n'y a rien d'impossible ni même d'inhabituel dans l'atterrissage vertical aujourd'hui. En même temps, il permet de se débrouiller avec beaucoup moins d'efforts lors de la construction et de l'exploitation de la piste - la piste sur laquelle ont atterri les mêmes Navettes et Bourane devait avoir une longueur de plusieurs kilomètres afin de freiner le véhicule à une vitesse de centaines de kilomètres par heure. "Le CROWN, en principe, peut même décoller d'une plate-forme offshore et atterrir dessus", ajoute l'un des auteurs du projet, "la précision d'atterrissage finale sera d'environ 10 m, la fusée est descendue sur des amortisseurs pneumatiques rétractables.. " Il ne reste plus qu'à effectuer des diagnostics, faire le plein, placer une nouvelle charge utile - et vous pouvez reprendre l'avion.
KORONA est toujours en cours de mise en œuvre en l'absence de financement, de sorte que les développeurs du Makeev Design Bureau n'ont réussi à atteindre que les étapes finales du projet de conception. « Nous avons passé cette étape presque entièrement et complètement indépendamment, sans soutien extérieur. Nous avons déjà fait tout ce qui pouvait être fait, - disent les concepteurs. - Nous savons quoi, où et quand doit être produit. Maintenant, nous devons passer à la conception pratique, à la production et au développement d'unités clés, et cela nécessite de l'argent, donc maintenant tout dépend d'eux. »
Démarrage retardé
La fusée CFRP n'attend qu'un lancement à grande échelle; dès réception du soutien nécessaire, les concepteurs sont prêts à commencer les essais en vol dans six ans, et dans sept à huit ans - pour commencer l'exploitation expérimentale des premiers missiles. Ils estiment que cela nécessite moins de 2 milliards de dollars - pas beaucoup par rapport aux normes de fusée. Dans le même temps, un retour sur investissement peut être attendu après sept ans d'utilisation de la fusée, si le nombre de lancements commerciaux reste au niveau actuel, voire dans 1,5 an - s'il croît au rythme prévu.
Par ailleurs, la présence de moteurs de manoeuvre, d'installations de rendez-vous et d'amarrage sur la fusée permet également de compter sur des schémas de lancement multi-lancements complexes. Ayant épuisé le carburant non pas pour l'atterrissage, mais pour la finition de la charge utile, il est possible de le porter à une masse de plus de 11 tonnes. Ensuite le CROWN accostera avec le second, « tanker », qui remplira ses réservoirs du carburant supplémentaire nécessaire au retour. Mais encore, beaucoup plus important est la réutilisabilité, qui pour la première fois nous soulagera de la nécessité de collecter les médias avant chaque lancement - et de les perdre après chaque lancement. Seule une telle approche peut assurer la création d'un trafic stable dans les deux sens entre la Terre et l'orbite, et en même temps le début d'une exploitation réelle, active et à grande échelle de l'espace proche de la Terre.
En attendant, la COURONNE reste dans les limbes, le travail sur New Shepard continue. Un projet japonais similaire RVT est également en cours de développement. Les développeurs russes peuvent tout simplement ne pas avoir suffisamment de soutien pour une percée. Si vous avez quelques milliards à dépenser, c'est un bien meilleur investissement que même le yacht le plus grand et le plus luxueux du monde.
