Acho que todo mundo que fala sobre foguetes reutilizáveis se inspira principalmente em aviões. Essas máquinas aladas voam ativamente, são muito confiáveis e possuem um recurso colossal. E, ao contrário dos foguetes, você pode facilmente comprar uma passagem e voar para onde quer que vá. Portanto, muitos escritores de ficção científica, cineastas e engenheiros de design desenham um avião ou um foguete com uma asa como um foguete reutilizável, onde pelo menos o primeiro estágio pousa no cosmódromo ao longo do avião. Esta é uma abordagem clássica, em que todos tentam aproveitar ao máximo o que foi alcançado. Vamos tentar descobrir o que os mísseis precisam para retornar sãos e salvos.
Entrando na atmosfera
Para que o veículo lançador coloque o satélite em órbita, o satélite (e o último estágio) deve ser informado de uma velocidade em torno de 7800 m / s. Para entender isso, você precisa da ordem dos números, não dos valores exatos. Ao mesmo tempo, a primeira etapa, dependendo da configuração do veículo lançador, desenvolve uma velocidade na faixa de 1600-3800 m / s. Assim, ao retornar à Terra, o foguete entra na atmosfera quase com a mesma velocidade com que se separou. Pode-se dizer que essas são nossas condições iniciais. Ao entrar na atmosfera, a unidade de foguete experimenta resistência atmosférica, o que causa estresse mecânico e aquecimento. Cargas mecânicas (cabeçote de alta velocidade) são proporcionais ao quadrado da velocidade e o aquecimento (fluxo de calor) ao cubo da velocidade. Nesse caso, tanto a cabeça de velocidade quanto o fluxo de calor são diretamente proporcionais à densidade da atmosfera. Estes são os relacionamentos mais importantesque determinam a maneira de entrar na atmosfera e voar nela. E se uma abordagem simples for usada para compensar as cargas crescentes - um aumento na massa da estrutura, então os fluxos de calor crescentes não podem ser compensados desta forma. Os fluxos de calor que uma estrutura pode perceber por unidade de tempo são determinados exclusivamente pelo material usado da estrutura ou sua superfície externa. Em altas velocidades, os materiais convencionais de construção simplesmente derretem. Mas eles encontraram uma maneira de sair dessa situação. Por exemplo, a proteção térmica de ablação é usada ativamente para a descida e a reentrada de espaçonaves.são determinados exclusivamente pelo material usado da estrutura ou sua superfície externa. Em altas velocidades, os materiais convencionais de construção simplesmente derretem. Mas eles encontraram uma maneira de sair dessa situação. Por exemplo, a proteção térmica de ablação é ativamente usada para a descida e a reentrada de naves espaciais.são determinados exclusivamente pelo material usado da estrutura ou sua superfície externa. Em altas velocidades, os materiais convencionais de construção simplesmente derretem. Mas eles encontraram uma maneira de sair dessa situação. Por exemplo, a proteção térmica ablativa é ativamente usada para naves espaciais de descida e reentrada.

O veículo de descida da nave espacial do tipo Soyuz após o pouso

Módulo de comando Apollo após o pouso
As imagens mostram que o escudo térmico é queimado e levado embora. Estas são suas principais propriedades - acumular energia e ser levado embora. É muito parecido com a água, que, devido à fervura e evaporação, mantém uma temperatura estritamente definida. Mas esta não é uma tecnologia reutilizável. Esses materiais de proteção térmica são muito caros, pesam muito e precisam ser restaurados ou trocados após cada voo. VA TKS chegou a desenvolver a tecnologia de restauração da proteção térmica ablativa após sua "evaporação". Mas essa tecnologia acabou sendo muito cara e, por uma série de razões, eles não foram além.
Nos EUA, para o ônibus espacial e, mais tarde, na URSS, para a espaçonave Buran, foram desenvolvidos materiais de proteção térmica de carbono-carbono e silício, que deveriam garantir baixo peso e reutilização.

Revestimento de proteção térmica da espaçonave "Buran"
Isso se tornou possível com o uso de uma forma de planador para veículos. Devido à grande área de superfície por unidade de peso, o veículo extinguiu parte da velocidade nas camadas rarefeitas da atmosfera e entrou nas camadas densas em velocidades mais baixas. E aproveitando a qualidade aerodinâmica ao entrar na atmosfera, o aparelho converteu sua velocidade vertical em velocidade horizontal e com isso foi gradativamente reduzindo sua altura. Graças a esses dois fatores, foi possível reduzir os fluxos de calor por unidade de superfície, o que, somado à irradiação de calor para o espaço circundante, tornou possível a utilização desses materiais. Além disso, a descida deslizante possibilitou reduzir as cargas mecânicas e sobrecargas sofridas pelo planador. Em laboratórios, as telhas carbono-carbono e quartzo têm apresentado excelentes resultados.Eles efetivamente continham os fluxos de calor necessários e irradiavam calor ativamente de volta. Devido ao baixo coeficiente de condutividade térmica, a estrutura da espaçonave não aqueceu acima dos limites permitidos e manteve suas propriedades de resistência. Mas, na realidade, os materiais utilizados eram muito exigentes para cumprir os processos tecnológicos de sua fabricação e aplicação (colagem). O problema mais importante era a fragilidade dos materiais, que não foi avaliada em modelos matemáticos durante o projeto. Por exemplo, ladrilhos de quartzo eram facilmente empurrados com um dedo. Ladrilhos de carbono-carbono eram facilmente lascados nas bordas. Além disso, ao voar em camadas densas da atmosfera, as telhas de quartzo receberam um efeito erosivo significativo de partículas de poeira, que exigiu restauração subsequente.Alguns dos ladrilhos simplesmente caíram durante a operação. Tudo isso levou ao fato de que esse revestimento de proteção térmica em operação se tornou muito mais caro do que os tipos ablativos de proteção térmica. Bem, provavelmente todos se lembram do desastre do ônibus espacial Columbia, que ocorreu em 1 de fevereiro de 2003 devido a danos na proteção térmica. Após o primeiro (ou último) vôo, o Buran também sofreu um sério desgaste do revestimento de proteção contra o calor, que felizmente não era tão crítico.
Como, então, contornar o problema do aquecimento térmico? E aqui novamente é necessário lembrar que os fluxos de calor são proporcionais à velocidade do cubo. Como escrevi acima, a velocidade do primeiro estágio pode ser três vezes menor do que a do último estágio. Isso significa que o bloco de foguete do acelerador de primeiro estágio ao entrar na atmosfera pode aquecer 27 vezes menos intensamente do que o bloco que desce em velocidade orbital. Ou seja, precisamos reduzir a velocidade de um objeto que entra na atmosfera. Infelizmente, devido à forma aerodinâmica ou aos efeitos aerodinâmicos, não será possível reduzir a velocidade de forma tão radical. É necessário desacelerar ou simplesmente não ganhar tanta velocidade quanto no primeiro estágio. Os cálculos mostraram que, se o veículo planador desenvolve uma velocidade de até 2500 m / s, ele não experimenta aquele aquecimento significativo,que requer o uso de materiais especiais de proteção térmica. Neste caso, ligas de titânio devem ser utilizadas nas carenagens da asa, nas bordas e em todos os locais sob tensão térmica.
O sopro subsequente dos dispositivos elaborados recomendou reduzir a velocidade ainda mais significativamente ou escolher uma forma aerodinâmica que reduza o estresse térmico de bordas, carenagens e locais semelhantes. Para blocos de foguetes clássicos, o valor dessa velocidade é ainda mais baixo, uma vez que mergulha muito intensamente nas camadas densas da atmosfera. Com base nos resultados de cálculos e voos reais, descobriu-se que a unidade de foguete não requer proteção especial em velocidades de entrada na região de 1200 m / s. Em velocidades na região de 1400 m / s, é necessária a aplicação local de materiais refratários especiais ou proteção térmica. Aqui vemos que a redução necessária na velocidade das unidades de foguetes clássicos é muito significativa e é extremamente ineficiente separar as unidades de foguetes em tal velocidade de vôo. Então, qual é a saída? E muito simples - frear os motores antes de entrar na atmosfera,para fornecer uma velocidade de entrada na região de 1200-1400 m / s. A questão toda está na diferença entre as velocidades de separação e entrada na atmosfera. A necessidade de combustível para tal desaceleração pode ser estimada com bastante precisão usando a fórmula de Tsiolkovsky, adicionando as perdas gravitacionais para o tempo de desaceleração.
Pouso suave
Aqui, revisamos brevemente o problema da reentrada na atmosfera para unidades de foguetes reutilizáveis. E agora, brevemente sobre as questões de um pouso suave, que vai manter a estrutura, que não está superaquecida, intacta e segura. Vamos começar com a estrutura alada novamente. Provavelmente não há necessidade de explicar muito. Todos devem ter visto os aviões pousarem. Aqui está um esquema semelhante, mas com uma ressalva. Como esses veículos não são aviões, sua velocidade de pouso horizontal é bastante alta, o que requer pistas de pouso longas e de alta qualidade. Em uma pista comum, como em Sheremetyevo, esse dispositivo pode falhar. Acho que separamos os veículos alados.
Mas e quanto aos blocos de foguetes clássicos? É necessário certificar-se de que a estrutura não seja danificada durante o pouso. Você pode abaixar suavemente a unidade do foguete na água, com a ajuda de pára-quedas ou freando os motores.

Booster flutuante de primeiro estágio Falcon-9
Essa opção de pousar na água parece ser boa para todos. Mas existem alguns problemas e tarefas praticamente insolúveis. Nem todos os veículos de lançamento têm trajetórias de vôo nas áreas onde os blocos caem acima da água. Por exemplo, ao lançar do cosmódromo de Baikonur, tal coisa não pode ser feita de forma alguma, do cosmódromo de Vostochny é extremamente problemático. Quando em contato com a água do mar, muitas ligas e materiais começam a se decompor rapidamente. Por si só, a água pode atrapalhar o desempenho de muitos sistemas mecânicos e eletrônicos. Existe um problema de secagem em bloco e limpeza de depósitos de sal. Em contato com a água, os elementos estruturais quentes são suscetíveis a rachaduras e um efeito de endurecimento. E, no final, o pitching adiciona cargas fora do projeto. Considerando todos esses fatores, o pouso na água geralmente não é considerado pelos especialistas. E se for considerado,eles rapidamente abandonam essa ideia. Resta pousar a unidade de foguete em terra ou em uma plataforma offshore.
A plataforma adiciona problemas de inclinação e deriva. Mas os sistemas de estabilização eficazes tornam a plataforma da unidade de mísseis praticamente em terra seca. Embora o desenvolvimento de tais sistemas de estabilização seja uma tarefa adicional, mas bastante solucionável.

Plataforma de pouso offshore SpaceX
Em seguida, você precisa decidir sobre o método de pouso. Normalmente, a primeira coisa oferecida é um pára-quedas. Ele é familiar para todos, meio compreensível e familiar. O pára-quedas permite, com suas áreas e massas aceitáveis, reduzir a velocidade de descida para cerca de 8-12 m / s. Mas ele não conseguirá fazer um pouso suave. Isso requer motores de freio adicionais e amortecedores. Apenas amortecedores podem ser usados. Se quisermos pousar uma unidade de foguete com uma sobrecarga de 2g apenas com a ajuda de amortecedores e a uma velocidade de 8 m / s, o ideal é um curso do amortecedor de 1,63 metros. O curso de choque necessário é proporcional ao quadrado da taxa de afundamento e é inversamente proporcional à sobrecarga. A propósito, a fórmula para o cálculo é facilmente derivada da lei de conservação de energia. É necessário apenas igualar a energia cinética com o potencial. Mas vamos continuar com os pára-quedas.O pára-quedas tem uma propriedade ruim.
Um pára-quedas clássico de velame não fornecerá uma aterrissagem precisa. A plataforma com ele é inútil, e no solo o foguete vai pousar em uma colina ou em uma floresta. Para manter a integridade da unidade de mísseis, ela deve pousar uniformemente em todos os suportes, vertical ou lateralmente. Depois disso, ele não deve rolar, cair ou rolar. Isso não pode ser feito em um site despreparado e sem nível. Muitos se lembram de como a imperfeição dos algoritmos de estabilização de barcaças da SpaceX levou à queda subsequente da unidade do foguete. Será o mesmo em uma superfície curva. Mesmo quando colocada de lado, a unidade de mísseis em uma plataforma curva simplesmente irá quebrar, como aconteceu durante os testes das unidades laterais do veículo lançador Energia.

Esquema de devolução da unidade lateral do LV "Energia" (http://www.buran.ru)
Os testes de queda de blocos mostraram que durante o pouso eles sofreram danos que não implicaram em seu uso posterior. Nem chegou a testar o resto das etapas de vôo.
Sabendo disso, os desenvolvedores começaram a oferecer ativamente paraquedas com asas guiadas, que teoricamente permitem que você abaixe a carga até o local exato. Mas tais desenvolvimentos esbarram na imperfeição dos algoritmos de controle sob condições ambientais que mudam rapidamente (vento, rajadas, etc.). Agora SpaceXestão testando ativamente esta tecnologia para abaixar as abas da carenagem. Além do pára-quedas guiado, eles usam um navio com uma enorme rede, que se move constantemente na tentativa de pegar a faixa. Até recentemente, os resultados não eram muito positivos, mas também não eram desesperadores. E, mais recentemente, as abas da carenagem estão cada vez mais presas na rede.

Nave SpaceX para pegar os flaps da carenagem
Para resolver o problema de pouso suave da unidade do foguete de paraquedismo, meus colegas S.V. Antonenko e S.A. Belavsky, uma pickup de helicóptero da unidade de foguetes de paraquedismo foi proposta.

Esquema de retirada de helicóptero da unidade de foguete
A vantagem deste esquema é que você não precisa pensar em um local preparado e não precisa gastar massa adicional em dispositivos de pouso (amortecedores). Além disso, o esquema para pegar objetos de paraquedismo no mundo é bem desenvolvido e não levanta grandes questões. Se a coleta for necessária no mar, plataformas offshore podem ser usadas. A limitação desse esquema é a massa da unidade do foguete e a capacidade de carga do helicóptero. Assim, o maior helicóptero do mundo, Mi-26, não será capaz de coletar mais de 16 toneladas. Os mísseis da família "Angara" têm uma unidade de foguete pesando em torno de 11 toneladas, enquanto a unidade de foguete do veículo lançador Falcon-9 já pesa em torno de 23 toneladas.
Acho que acabamos com os pára-quedas. Como você pode fazer sem pára-quedas? Para isso, podem ser usados motores que irão desacelerar a unidade do foguete antes de pousar a velocidades da ordem de 1-2 m / s. É mais difícil pousar com mais precisão, mas no futuro acho que podemos falar em 0,5 m / se abaixo. As últimas migalhas devem ser amortecidas por pequenos amortecedores. Deve-se ter em mente que este esquema requer o pouso em um local preparado e a orientação correta da unidade do foguete ao emitir um impulso de frenagem. Ou seja, precisamos de controles e estabilização. Nesta fase do desenvolvimento da tecnologia, tais sistemas de controle não representam nenhum problema particular. Algoritmos para controle, orientação e aterrissagem também são passíveis de criação e desenvolvimento. E os controles em forma de motores a jato a gás e lemes aerodinâmicos já estão se tornando clássicos.Amortecedores de pouso também são bastante bem desenvolvidos hoje e trabalhados em pelo menos duas versões, deSpaceX e Blue Origin . Além disso, com este método de pouso, existem tarefas de amortecimento dos componentes horizontais de velocidade e velocidades angulares. Mas isso também pode ser resolvido e até funcionou bem.

Aterrissagem dos blocos laterais LV do Falcon Heavy
Vemos que tal esquema de pouso (pouso) já está bem desenvolvido e não esconde problemas insolúveis.
Em nenhum lugar
Provavelmente é tudo sobre métodos de pouso. Mas como você se encontra em uma determinada área ou em um local preparado? Aeronaves planadoras com asa, devido à qualidade aerodinâmica, como escrevi antes, convertem muito bem a velocidade vertical em horizontal. Portanto, muitas vezes eles chegam à pista por conta própria. E se a autonomia de vôo não for suficiente, são usados motores adicionais de aeronaves a jato de ar.
Os blocos de foguetes de esquemas clássicos têm poucas oportunidades de ajustar o alcance instalando lemes aerodinâmicos. Eles também podem fazer ajustes de alcance quando os impulsos de frenagem são usados para reduzir os fluxos de calor. Mas muitas vezes esses intervalos podem não ser suficientes. Vejamos o esquema logisticamente mais atraente, quando as unidades de foguete retornam ao cosmódromo e não precisam ser adicionalmente transportadas por distâncias consideráveis. Assim, para implementar o esquema com retorno ao ponto de partida, após a separação da unidade do foguete, é utilizado um acionamento adicional do motor do foguete. Nesse caso, o motor é orientado de forma a reduzir simultaneamente a velocidade de voo e definir a velocidade de retorno ao local de pouso.
A principal vantagem de tal impulso corretivo é que depois dele a unidade do foguete faz o ajuste de alcance principal enquanto se move praticamente em um espaço sem ar. Esse impulso pode ser usado não apenas para retornar ao cosmódromo, mas também para pousar em quase qualquer local.

Esquema de vôo do Falcon-9
Para unidades de foguete com pára-quedas, também é possível usar combinações de impulsos corretivos e de frenagem de motores de foguete, entre outras coisas, bem como controle de lemes aerodinâmicos. Mas deve-se ter em mente que o pára-quedas ainda vai ganhar um erro aleatório de vários quilômetros durante sua operação. Escrevi sobre uma asa de paraquedas controlada.
Conclusão
Então, revi todas as etapas do voo das unidades de foguete reutilizáveis e tentei explicar de forma acessível o que e por que deveria ser feito nessas etapas para que a unidade de foguete reutilizável voltasse sã e salva. Na realidade, é claro, existem várias ordens de magnitude a mais de questões e nuances, mas as questões que considerei são as principais e decisivas para o futuro esquema de uma unidade de foguete reutilizável. Vamos resumir os esquemas para a implementação de blocos de foguetes reutilizáveis. Os principais na minha opinião são:
- Bloco alado com pouso horizontal de aeronaves.
- Pouso dinâmico do foguete.
- Captura de unidades de foguetes de paraquedismo por helicóptero.
Estes são os esquemas mais implementados e desenvolvidos, mas você pode combinar seu próprio esquema com base nas preferências pessoais. Mas depois disso, o novo esquema deve ser calculado com cuidado para ter certeza de que é realizável e você não terá problemas insolúveis. Vou fazer uma reserva imediatamente que cada um dos esquemas tem suas próprias nuances e limites de viabilidade. Cada um tem suas próprias perdas em massa de carga útil, perdas em custos e complexidade de resolução de problemas. Mas mais sobre isso em outro momento.