На здоровой «новой космической» волне появилось довольно много стартапов, пытающихся получить часть рынка космических запусков. Когда стартап утверждает, что разрабатывает новую технологию, что-то новаторское, аппаратное обеспечение, которое будет полностью многоразовым и изменит правила игры, что ж, разумно ошибиться в сторону осторожности и оставаться скептиком. Stoke Space, однако, не только заявляет об этом, но и фактически строит и тестирует аппаратное обеспечение в соответствии со своими заявлениями и в поразительном темпе.
Тревор Сесник, 4 февраля 2023 г.
В этой статье, сопровождающей видео Everyday Astronaut на Youtube, мы рассказываем вам об этой невероятной компании и захватывающих концепциях, над которыми она работает. Мы разберем эти темы для тех из вас, кто предпочитает учиться через чтение или просто считает, что это хорошее дополнение.
Энди Лапса, бывший сотрудник Blue Origin, является ее генеральным директором и одним из соучредителей. На самом деле компания выиграла от того, что собрала людей как из космического предприятия Джеффа Безоса, так и из SpaceX. В этой возможности Энди был хозяином Тима во время визита, и он объяснил, что для достижения целей компании «вы должны проектировать, строить, тестировать, повторять; как можно быстрее». Для этого необходимо, чтобы компания была вертикально интегрирована. На практике это означает, что Stoke осуществляет ряд стратегических этапов своей деятельности самостоятельно, не полагаясь на внешних поставщиков.
Штаб-квартира компании находится в графстве Кент, штат Вашингтон, где осуществляется проектирование и производство. Из-за подхода вертикальной интеграции его цех состоит из станков, которые предлагают не только возможности четырехосевой и пятиосевой обработки, но также токарные станки, фрезерные станки и даже установки электроэрозионной обработки. Во время тура Everyday Astronaut воочию увидел все оборудование, которое там создается, и захватывающую работу, которую выполняют сотрудники.
Свежие камеры сгорания выходят из станка с ЧПУ. После того, как камера напечатана, ее необходимо обработать для уплотнительных поверхностей и сопрягаемых интерфейсов. Stoke Space.
Второй объект предназначен для испытаний и находится в 3 часах езды от штаб-квартиры Stoke Space. Район, расположенный в Мозес-Лейк, штат Вашингтон, идеально подходил для этих установок, поскольку в прошлом и Boeing, и ВВС США выполняли там проекты. Следовательно, некоторая инфраструктура все еще существовала, и там жили квалифицированные работники, связанные с аэрокосмической сферой. Более того, эти испытательные полигоны находятся рядом с аэропортом с огромными взлетно-посадочными полосами, которые служили резервной посадочной площадкой для космического корабля Space Shuttle!
Испытательный стенд для второй ступени, предназначенный как для отдельных двигателей, так и для полных испытаний ступеней.
Компания построила все это за 18 месяцев до визита Тима в ноябре 2022 года. Stoke придерживается радикального подхода, стремясь сделать все возможное для 100% повторного использования.
Ракета Stoke представляет собой двухступенчатую ракету с вертикальным взлетом и вертикальной посадкой (VTOVL), аналогичную первой ступени Falcon 9. Построенный из нержавеющей стали, в полностью собранном состоянии ракета-носитель будет иметь высоту 30 метров и диаметр 4 метра.
Выбор использования нержавеющей стали в качестве материала для ракеты был обусловлен как ее технологичностью, так и ее доступностью, поскольку многие поставщики предлагали этот сплав, что позволяло избежать перебоев с поставками. Выбранный (и неизвестный) сплав нержавеющей стали обеспечивает превосходные свойства материала в виде листового металла и сохраняет свойства даже при высоких температурах. Кроме того, по сравнению с другими материалами для оформления ступени не было большой разницы в характеристиках носителя. Итак, компания Stoke решила сосредоточиться на простоте изготовления.
Рендер ракеты Stoke. (Предоставлено: Stoke Space)
Вторая ступень ракеты Stoke разработана с учетом универсальности: она обладает необычной способностью доставлять полезные нагрузки на орбиту и доставлять их обратно на Землю, что позволяет развертывать и перемещать космические аппараты по орбите. Используя баллистическую траекторию входа в атмосферу, вторая ступень спроектирована в виде капсулы — форма второй ступени похожа на традиционную капсулу, с конической конструкцией от основания к вершине, что позволяет точно приземлиться. Двигатель на второй ступени способен к глубокому дросселированию, что дает ему возможность выполнять повторный вход в атмосферу и мягкую посадку на реактивной тяге.
Нагрузка второй ступени ограничена осевым направлением, что помогает уменьшить массу конструкции, поскольку ей не нужно сопротивляться боковым нагрузкам. Кроме того, это упрощает работу с полезными нагрузками, поскольку им не приходится иметь дело с изменениями направления загрузки. Для сравнения, это похоже на то, что произошло, когда ракета SLS испытала сильный боковой ветер от урагана Ян, и инженеры были обеспокоены. Это связано с тем, что ракета была спроектирована таким образом, чтобы выдерживать нагрузку вдоль оси, а не сбоку. Жестко закрепленный двигатель второй ступени также способствует эффективности конструкции.
Под теплозащитным экраном вторая ступень оснащена различными системами, такими как клапаны, баки под давлением, авионика и средства управления. Баки, используемые на второй ступени, спроектированы с посадочными баками внутри, а для реактивной посадки используются меньшие. Избегая переворота ступени, как у Starship SpaceX, вторая ступень будет оставаться вертикальной на протяжении всего полета, сводя к минимуму управление криожидкостями в баках.
Купол резервуара 2-й очереди на заднем плане. Самый внешний обод - это место, где крепится теплозащитный экран со встроенным двигателем. Вокруг купола видны 30 опор, к которым подключены двигатели.
Вторая ступень не будет испытана на другой ракете из-за трудностей сопряжения с нижней ступенью, особенно из-за уникальной конструкции двигателя и того факта, что она работает на LH2. Тем не менее, у компании все еще есть мобильная инфраструктура LH2, поскольку сначала они строят бункер верхней ступени. LH2 не используется широко другими компаниями, но дает производительность, необходимую Stoke для повторного использования верхней ступени. Несмотря на то, что LH2 дороже и сложнее в использовании, он лучше подходит для повторного использования.
Двигатель второй ступени Stoke разработан с учетом структурной эффективности. Двигатель состоит из одного турбонасоса с детандерным циклом прокачки, который в настоящее время имеет 15 камер сгорания. В долгосрочной перспективе двигатель будет иметь 30 тяговых камер модульной конструкции. Каждая медная камера отлично подходит для работы при низком давлении — избегая необходимости в конструктивной оболочке или усилении вокруг нее — и питается от одного топливного турбонасоса, генерирующего 1000 лошадиных сил. Насос LOx требует меньше энергии из-за того, что LOx более плотный, чем LH2.
Поскольку испытательные двигатели имеют 15 камер, Stoke сокращает время испытаний камер в 15 раз, что обеспечивает большую надежность. В процессе проектирования Stoke рассматривал двигатели с карданным подвесом, но требуемые керамические уплотнения, которые могли работать в течение многих циклов, казались ненадежными. Вместо этого рулевое управление достигается за счет дифференциального дросселирования каждого отдельного двигателя. Это привело к решению использовать игольчатые форсунки, поскольку они обеспечивают глубокое дросселирование. Кроме того, игольчатые форсунки позволяют топливной смеси оставаться неизменной во всем диапазоне дроссельной заслонки. Из-за такой конструкции выключение двигателя должно происходить одновременно по всему кольцу тяговых камер, чтобы предотвратить изменение ориентации, вызванное моментами, т. е. исключить ситуацию когда некоторые двигатели на одной стороне работают дольше, чем на противоположной стороне. Наконец, игольчатый инжектор обеспечивает чистое отключение впрыска топлива.
Тепловой экран второй ступени
Теплозащитный экран второй ступени представляет собой куполообразную конструкцию, соединенную с конусом, который, в свою очередь, соединен с бортиком, в котором расположены кольцевые вырезы для двигателей. Во время входа в атмосферу «холодный» водород (H2) будет циркулировать за теплозащитным экраном по трубам подачи топлива, которые будут использоваться для раскрутки насосов в цикле детандера. Это требует энергии от теплового экрана, чтобы охладить его. Тепло, выделяемое напором воздуха и плазмой во время входа в атмосферу, поглощается H2, заставляя его быстрее вращать насосы, циркулировать больше топлива и охлаждать тепловой экран. Это создает саморегулирующуюся систему, по крайней мере, в некоторой степени. И теплозащитный экран, и камеры охлаждаются H2 во время входа в атмосферу.
Лапса перед прототипом теплозащитного экрана
Идея конструкции состоит в том, чтобы спрятать двигатель второй ступени в теплозащитный экран; это позволяет им поместить активную систему охлаждения в теплозащитный экран, что побудило Стоук выбрать двигатель, использующий эффект аэродинамического шипа. Теплозащитный экран имеет угол наклона и не является симметричным, что позволяет ему создавать силу, помогающую управлять транспортным аппаратом при входе в атмосферу. Например, без потери общности, если теплозащитный экран выступает больше влево, он создает силу влево.
Первая ступень ракеты Stoke будет работать на жидком метане (CH4) вместо LH2, поскольку это более рентабельно. Чтобы еще больше помочь в достижении этой цели, двигатели первой ступени будут использовать цикл ступенчатого сгорания с полным потоком, который обеспечивает высокое давление в камере сгорания и более низкие температуры. Это идеально для повторного использования.
Первая ступень имеет расширение в верхней четверти, увеличивающее ее диаметр для сопряжения со второй ступенью. Это помогает при спуске и посадке, поскольку смещает центр давления вниз по потоку, то есть ближе к верхней части ступени, и увеличивает коэффициент лобового сопротивления.
