我认为谈论可重复使用火箭的每个人主要是受飞机启发的。这些有翼机飞行很活跃，非常可靠，而且资源巨大。与火箭不同，您可以轻松地购买机票并随身携带。因此，许多科幻小说家，电影摄影师和设计工程师会绘制一架飞机或一架带有机翼的火箭作为可重复使用的火箭，其中至少第一阶段会沿着飞机降落在宇宙大厅。这是一种经典方法，每个人都试图在已获得的最大成就的基础上继续前进。让我们尝试弄清楚导弹返回安全无害所需要的东西。
进入气氛
为了使运载火箭将卫星送入轨道，必须告知卫星（以及最后一级）速度在7800 m / s左右。为了理解这一点，需要数字的顺序，而不是确切的值。同时，根据运载火箭的配置，第一阶段的速度在1600-3800 m / s左右。因此，当火箭返回地球时，它以几乎与分离时相同的速度进入大气层。可以说这是我们的初始条件。当进入大气层时，火箭单元会遇到大气阻力，这会导致机械应力和发热。机械负载（高速头）与速度的平方成正比，而热量（热流）与速度的平方成正比。在这种情况下，速度头和热通量都直接与大气密度成正比。这些是最重要的关系决定进入大气层并在其中飞行的方式。并且，如果使用简单的方法来补偿增加的负载-结构质量的增加，则不能以这种方式补偿增加的热通量。结构每单位时间可感知的热通量由结构所使用的材料或其外表面唯一确定。在高速下，传统的建筑材料只会融化。但是他们找到了摆脱这种情况的方法。例如，消融热保护被积极地用于下降和重返航天器。由结构的使用材料或其外表面唯一确定。在高速下，传统的建筑材料只会融化。但是他们找到了摆脱这种情况的方法。例如，消融热保护被积极地用于下降和重返航天器。由所使用的结构材料或其外表面唯一确定。在高速下，传统的建筑材料只会融化。但是他们找到了摆脱这种情况的方法。例如，消融热保护被积极地用于下降和重返航天器。
登陆后的联盟号下降飞机登陆后的
阿波罗指挥舱
图片显示，隔热罩被烧毁并被带走。这些是其主要特性-积聚能量并被带走。它与水非常相似，由于沸腾和蒸发，水保持严格定义的温度。但这根本不是可重用的技术。这种隔热材料非常昂贵，重量很重，每次飞行后都需要恢复或更换。 VA TKS甚至制定了在“蒸发”后恢复烧蚀热保护的技术。但是事实证明，这项技术非常昂贵，由于许多原因，他们没有走得更远。
在美国，对于航天飞机，后来在苏联，对于Buran航天器，开发了碳-碳和硅隔热材料，这些材料应确保重量轻和可重复使用。
“暴风雪”号飞船的隔热涂层
通过将滑行器形状用于车辆，这成为可能。由于单位重量的表面积大，车辆在大气稀疏层中消除了部分速度，并以较低速度进入了致密层。利用进入大气层时的空气动力学特性，该设备将其垂直速度转换为水平速度，并因此逐渐降低了其高度。由于这两个因素，可以减少单位表面的热通量，再加上向周围空间的辐射热辐射，可以使用这些材料。除此之外，滑行下降使减少滑行机承受的机械负载和过载成为可能。在实验室中，碳-碳和石英砖已显示出优异的效果。它们有效地包含了所需的热通量，并主动辐射回热。由于导热系数低，航天器结构没有加热到允许的极限以上，并保持了其强度特性。但是实际上，所使用的材料非常需要符合其制造和应用（胶合）的技术流程。最重要的问题是材料的易碎性，在设计过程中并未以任何数学模型对其进行评估。例如，石英砖很容易用手指推入。碳-碳砖很容易在边缘掉落。另外，在高密度的大气层中飞行时，石英砖会受到灰尘颗粒的明显腐蚀作用，因此需要进行后续修复。在操作过程中，有些瓷砖会掉下来。所有这些导致了这样一个事实，即，这种隔热涂层在运行中已经比烧蚀型隔热罩更加昂贵。好吧，每个人都可能还记得2003年2月1日发生在哥伦比亚的航天飞机灾难，这是由于热保护装置受损所致。在第一次（或最后一次）飞行之后，“ Buran”号航天飞机的热保护涂层也严重烧坏，幸运的是，它并不是那么关键。
那么，如何解决热加热问题呢？在此再次需要记住，热通量与立方体速度成正比。正如我上面所写，第一阶段的速度可能比最后阶段的速度低三倍。这意味着第一级加速器的火箭块进入大气层时，其加热强度比以轨道速度下降的火箭块低27倍。也就是说，我们需要降低物体进入大气的速度。不幸的是，由于空气动力学形状或空气动力学作用，不可能如此彻底地降低速度。有必要要么放慢速度，要么根本不能获得与第一阶段一样快的速度。计算表明，如果滑行车的速度达到2500 m / s，则不会经历明显的加热，这需要使用特殊的隔热材料。在这种情况下，必须在机翼的整流罩，边缘和所有受热的地方使用钛合金。
建议对精巧的设备进行后续吹制，以进一步显着降低速度，或者选择一种空气动力学形状以减少边缘，整流罩和类似地方的热应力。对于经典火箭块，该速度的值甚至更低，因为它会非常强烈地陷入大气层中。根据计算和实际飞行的结果，结果表明，在进入速度为1200 m / s时，火箭装置不需要特殊保护。在大约1400 m / s的速度下，需要局部使用特殊的耐火材料或进行热保护。在这里我们可以看到，经典火箭装置所需的速度降低非常显着，以这种飞行速度分离火箭装置效率极低。那出路在哪里呢？而且非常简单-在进入大气层之前先制动发动机，提供的进入速度在1200-1400 m / s的范围内。整个问题在于分离和进入大气的速度之间的差异。使用Tsiolkovsky公式可以相当准确地估算出这种减速所需的燃料量，并增加了减速时间的重力损失。
软着陆
在这里，我们简要回顾了可重复使用的火箭装置重新进入大气层的问题。现在，简要介绍一下软着陆的问题，它可以使结构保持过热，完整和安全。让我们再次从带翼结构开始。可能无需解释太多。每个人都必须看到飞机降落。这是一个类似的方案，但有一个警告。由于此类车辆不是飞机，因此其水平着陆速度非常高，这需要长而高质量的起落跑道。在谢列梅捷沃（Sheremetyevo）等普通车道上，这种设备很可能崩溃。我认为我们整理了有翼车辆。
但是经典火箭块呢？必须确保在降落过程中结构不被损坏。您可以借助降落伞或制动发动机，将火箭装置轻轻地降入水中。
第一阶段Falcon-9的浮动助推器
降落在水中似乎对每个人都有好处。但是，这里有一些问题和几乎无法解决的任务。并非所有的运载火箭都在障碍物落在水面上的区域具有飞行路径。例如，当从拜科努尔宇宙飞船发射时，根本无法做到这一点，而从沃斯托奇尼宇宙飞船出发，这是非常有问题的。与海水接触时，许多合金和材料开始很快分解。水本身会破坏许多机械和电子系统的功能。存在块干燥和盐沉积物清洁的问题。与水接触时，热的结构元件容易开裂和过度硬化。最后，俯仰会增加设计外的负载。考虑到所有这些因素，专家通常不考虑在水上着陆。如果考虑的话他们很快放弃了这个主意。仍然需要将火箭装置降落在陆地或海上平台上。
该平台增加了俯仰和漂移问题。但是有效的稳定系统使导弹单位的平台几乎变成了陆地。尽管开发这种稳定系统是附加的，但可以解决的任务。
SpaceX离岸着陆平台
接下来，您需要确定着陆方法。通常提供的第一件事是降落伞。他对每个人都很熟悉，有点可以理解和熟悉。降落伞允许以其可接受的面积和质量将下降速度降低到大约8-12 m / s。但是他将无法软着陆。这需要附加的制动马达和减震器。只能使用减震器。如果仅在减震器的帮助下以8 m / s的速度降落2g超负荷的火箭装置，那么理想的减震器行程为1.63米。所需的冲击行程与下沉率的平方成正比，与过载成反比。顺便说一下，计算公式很容易从能量守恒定律推导出来。只需要使动能与势相等。但是，让我们继续降落伞。降落伞有一个坏特性。
经典的顶篷降落伞无法提供准确的着陆效果。带有平台的平台是无用的，火箭将在地面上降落在山丘上或森林中。为了保持导弹装置的完整性，导弹装置必须垂直或侧向均匀地降落在所有支架上。之后，它不应滚动，掉落或滚动。无法在没有准备的，没有级别的站点上执行此操作。许多人还记得SpaceX的驳船稳定算法的不完善是如何导致火箭装置随后坠落的。在曲面上将是相同的。即使在侧向放置时，弯曲平台上的导弹单元也会像在对Energia运载火箭的侧单元进行测试时那样简单地破裂。
LV“ Energia”侧单元的归还方案（http://www.buran.ru）
对掉落块的测试表明，降落过程中它们受到的损坏并不意味着其随后的使用。甚至没有测试其余的飞行阶段。
知道了这一点，开发人员开始积极提供制导翼降落伞，从理论上讲，这可以使您将载荷降低到确切的位置。但是，这种发展与快速变化的环境条件（风，阵风等）下控制算法的不完善相抵触。现在SpaceX公司正在积极测试该技术以降低整流罩。除了有引导降落伞外，他们还使用一艘船，船上有一个巨大的网，不断移动，试图抓住窗扇。直到最近，结果还不是很乐观，但也不是没有希望。最近，整流罩的挡板越来越多地被捕获在网中。
SpaceX用来捕获整流罩襟翼的飞船
为了解决跳伞火箭装置的软着陆问题，我的同事S.V.安东年科和S.A.有人提出了贝尔拉夫斯基的降落伞单位的直升机皮卡。
火箭单位的直升机拾取方案
这种方案的优点是您不必考虑准备好的地点，也不需要在起落装置（减震器）上花费额外的重量。另外，世界上用于拾取跳伞物体的方案已经发展得很好，并且没有引起很大的问题。如果在海上需要接载，则可以使用海上平台。该方案的局限性在于火箭装置的质量和直升机的承载能力。因此，世界上最大的直升飞机Mi-26的拾音能力将不超过16吨。安加拉（Angara）家族的导弹的火箭弹重约11吨，而猎鹰9号运载火箭的火箭弹重约23吨。
我认为降落伞已经完成。没有降落伞怎么办？为此，可以使用能够在着陆之前以1-2 m / s的速度制动火箭装置的发动机。更精确地着陆比较困难，但将来我认为我们可以谈论0.5 m / s及以下。最后的碎屑应通过小型减震器来阻尼。应该记住的是，该方案要求在发出制动脉冲时降落在准备好的地点，并确保火箭单元的正确方向。也就是说，我们需要控制和稳定。在技术发展的现阶段，这种控制系统并不代表任何特殊问题。用于控制，引导和着陆的算法也适用于创建和开发。喷气发动机和空气动力舵形式的控制装置已经成为经典。着陆减震器今天也很发达，并且至少有两个版本SpaceX和Blue Origin。同样，利用这种着陆方法，还存在阻尼速度和角速度的水平分量的任务。但这也是可以解决的，甚至可以解决。
猎鹰重型LV侧挡块
的着陆我们看到这样的着陆（着陆）方案已经很好地开发了，并且没有掩盖无法解决的问题。
不在任何地方
这可能与着陆方法有关。但是，如何在给定区域或准备好的站点中找到自己？如前所述，由于具有空气动力学特性，带有机翼的滑行式飞机可以很好地将垂直速度转换为水平速度。因此，它们常常自己到达起降跑道。如果飞行范围不够，则使用其他喷气式飞机发动机。
经典方案的火箭发动机块几乎没有机会通过安装气动舵来调节射程。当施加制动脉冲以减少热通量时，它们还可以进行范围调整。但是通常这样的范围可能还不够。让我们看一下在后勤方面最吸引人的方案，当火箭装置返回宇宙飞船并且不需要额外运输很长距离时。因此，为了实现返回起点的方案，在分离火箭单元之后，使用了火箭发动机的额外启动。在这种情况下，发动机的方向应使其同时降低飞行速度并设定返回着陆点的速度。
这种矫正脉冲的主要优点是，在其之后，火箭单元将在实际在无空气空间中移动的同时进行主要范围的调整。这样的冲动不仅可以用于返回宇宙，而且可以在几乎任何地点着陆。
Falcon-9的飞行方案
对于带有降落伞的火箭装置，除其他外，还可以结合使用火箭发动机的校正和制动脉冲以及控制空气动力舵。但是应该记住，降落伞在其运行过程中仍会产生长达数公里的随机误差。我写了一篇关于降落伞机翼的文章。
结论
因此，我回顾了可重复使用火箭装置飞行的所有阶段，并试图以一种易于理解的方式解释在这些阶段应该做什么和为什么要做，以使可重复使用火箭装置返回安全无害的状态。当然，实际上，还有更多数量级的问题和细微差别，但是我考虑的问题是可重复使用火箭装置未来计划的主要和决定性问题。让我们总结一下可重复使用火箭块的实施方案。我认为主要的是：
- 带翼的障碍物，水平飞机降落。
- 火箭动态着陆。
- 跳伞火箭装置的直升机拾取。
这些是实施最完善的方案，但是您可以根据个人喜好组合自己的方案。但是在那之后，必须仔细计算新方案，以确保它是可以实现的，并且不会遇到无法解决的问题。我将立即保留每个方案都有其细微差别和可实现性的限制。每一种都有其自身的有效载荷质量损失，成本损失和解决问题的复杂性。但是在另一时间。