Фальстарт космических челноков

Логично, что 1-ые проекты кораблей виделись многоразовыми и часто крылатыми. Длительное время — до самого начала пилотируемых полетов — они соперничали на чертежных досках конструкторов с разовыми «Востоками» и «Меркуриями». Как досадно бы это не звучало, большая часть многоразовых кораблей так и остались проектами, а единственная система неоднократного внедрения, принятая в эксплуатацию (Space Shuttle), оказалась жутко дорогой и далековато не самой надежной.

Почему так вышло?

Ракетостроение имеет в собственной базе два источника — авиацию и артиллерию. Авиационное начало добивалось многоразовости и крылатости, тогда как артиллерийское было склонно к разовому применению «ракетного снаряда». Боевые ракеты, из которых выросла практическая астронавтика, были, естественно, разовыми.

Когда дело дошло до практики, конструкторы столкнулись с целым комплексом заморочек скоростного полета, в множестве которых — очень высочайшие механические и термические нагрузки. Методом теоретических исследовательских работ, также проб и ошибок инженеры смогли подобрать лучшую форму боевой части и действенные теплозащитные материалы. И когда на повестку денька встал вопрос о разработке реальных галлактических кораблей, проектанты оказались перед выбором концепции: строить галлактический «самолет» либо аппарат капсульного типа, схожий на головную часть межконтинентальной баллистической ракеты? Так как галлактическая гонка шла в обезумевшем темпе, было выбрано более обычное решение — ведь в вопросах аэродинамики и конструкции капсула куда проще самолета.

Стремительно выяснилось, что технически тех лет сделать капсульный корабль многоразовым фактически нереально. Баллистическая капсула заходит в атмосферу с большой скоростью, а ее поверхность может греться до 2 500—3 000 градусов. Галлактический самолет, владеющий довольно высочайшим аэродинамическим качеством, при спуске с орбиты испытывает практически в два раза наименьшие температуры (1 300—1 600 градусов), но материалы, применимые для его теплозащиты, в 1950—1960-е годы еще не были сделаны. Единственной эффективной теплозащитой была тогда заранее разовая абляционная обмазка: вещество покрытия оплавлялось и испарялось с поверхности капсулы потоком набегающего газа, поглощая и унося при всем этом тепло, которое в неприятном случае вызвало бы недопустимый нагрев спускаемого аппарата.

Пробы расположить в единой капсуле все системы — двигательную установку с топливными баками, системы управления, жизнеобеспечения и энергопитания — вели к резвому росту массы аппарата: чем больше размеры капсулы, тем больше масса теплозащитного покрытия (в качестве которой использовались, к примеру, стеклотекстолиты, пропитанные фенольными смолами с достаточно большой плотностью). Но грузоподъемность тогдашних ракет-носителей была ограниченна. Решение было найдено в делении корабля на многофункциональные отсеки. «Сердце» системы обеспечения жизнедеятельности астронавта располагалось в относительно маленький кабине-капсуле с термический защитой, а блоки других систем были вынесены в разовые отделяемые отсеки, естественно, не имевшие никакого теплозащитного покрытия. К такому решению конструкторов, как представляется, подталкивал и маленький ресурс главных систем галлактической техники. К примеру, жидкостный ракетный движок «живет» несколько сотен секунд, а чтоб довести его ресурс до нескольких часов, необходимо приложить очень огромные усилия.

Предыстория многоразовых кораблей

Одним из первых на техническом уровне проработанных проектов галлактического челнока был ракетоплан конструкции Ойгена Зенгера. В 1929 году он избрал этот проект для докторской диссертации. По плану австрийского инженера, которому было всего 24 года, ракетоплан был должен выходить на околоземную орбиту, к примеру, для обслуживания орбитальной станции, а потом ворачиваться на Землю при помощи крыльев. В конце 1930-х — начале 1940-х годов в специально сделанном закрытом научно-исследовательском институте он выполнил глубокую проработку ракетного самолета, известного как «антиподный бомбардировщик». К счастью, в 3-ем рейхе проект реализован не был, но стал отправной точкой для многих послевоенных работ как на Западе, так и в СССР.

Так, в США, по инициативе В. Дорнбергера (управляющего программки V-2 в фашистской Германии), сначала 1950-х годов проектировался ракетный бомбовоз Bomi, двухступенчатый вариант которого мог бы выходить на околоземную орбиту. В 1957 году южноамериканские военные начали работу над ракетопланом DynaSoar. Аппарат был должен делать особенные миссии (инспекция спутников, разведывательно-ударные операции и др.) и в планирующем полете ворачиваться на базу.

В СССР, еще до полета Юрия Гагарина, рассматривалось несколько вариантов крылатых пилотируемых аппаратов многоразового использования, таких как ВКА-23 (главный конструктор В.М. Мясищев), «136» (А.Н. Туполев), также проект П.В. Цыбина, узнаваемый как «лапоток», разработанный по заказу С.П. Царица.

Во 2-ой половине 1960-х годов в СССР в ОКБ А.И. Микояна, под управлением Г.Е. Лозино-Лозинского, велась работа над многоразовой авиационно-космической системой «Спираль», которая состояла из сверхзвукового самолета-разгонщика и орбитального самолета, выводимого на орбиту при помощи двухступенчатого ракетного ускорителя. Орбитальный самолет по размерности и предназначению в общих чертах повторял DynaSoar, но отличался формой и техническими деталями. Рассматривался и вариант пуска «Спирали» в космос при помощи ракеты-носителя «Союз».

Из-за недостающего технического уровня тех лет ни один из бессчетных проектов многоразовых крылатых аппаратов 1950—1960 годов не вышел из стадии проектирования.

1-ое воплощение

И все таки мысль многоразовости ракетно-космической техники оказалась жизнестойкой. К концу 1960-х годов в США и несколько позже в СССР и Европе был накоплен значительный задел в области гиперзвуковой аэродинамики, новых конструкционных и теплозащитных материалов. А теоретические исследования подкрепились тестами, в том числе полетами опытнейших летательных аппаратов, самым известным из которых был южноамериканский Х-15.

В 1969 году NASA заключило 1-ые договоры с аэрокосмическими компаниями США на исследование вида многообещающей многоразовой транспортной галлактической системы Space Shuttle (англ. — «космический челнок»). По прогнозам тех пор, к началу 1980-х годов грузопоток «Земля-орбита-Земля» был должен составить до 800 тонн в год, и шаттлам предстояло раз в год совершать 50— 60 полетов, доставляя на околоземную орбиту галлактические аппараты различного предназначения, также экипажи и грузы для орбитальных станций. Ожидалось, что цена выведения грузов на орбиту не превзойдет 1 000 баксов за килограмм. При всем этом от галлактического челнока требовалось умение возвращать с орбиты довольно огромные нагрузки, к примеру дорогие многотонные спутники для ремонта на Земле. Нужно отметить, что задачка возврата грузов с орбиты в неких отношениях труднее вывода их в космос. К примеру, на кораблях «Союз» астронавты, ворачиваясь с Интернациональной галлактической станции, могут взять наименее сотки кг багажа.

В мае 1970 года, после анализа приобретенных предложений, NASA избрало систему с 2-мя крылатыми ступенями и выдало договоры на последующую проработку проекта фирмам North American Rockwell и McDonnel Douglas. При стартовой массе около 1 500 тонн она должна была выводить на низкую орбиту от 9 до 20 тонн полезного груза. Обе ступени предполагалось оснащать связками кислородно-водородных движков тягой по 180 тонн каждый. Но в январе 1971 года требования были пересмотрены — выводимая масса выросла до 29,5 тонны, а стартовая— до 2 265 тонн. По расчетам, запуск системы стоил менее 5 миллионов баксов, но вот разработка оценивалась в 10 млрд баксов — больше, чем был готов выделить конгресс США (не будем забывать, что США вели в то время войну в Индокитае).

Перед NASA и фирмами-разработчиками встала задачка — понизить цена проекта по последней мере в два раза. В рамках стопроцентно многоразовой концепции этого достигнуть не удалось: очень трудно было создать теплозащиту ступеней с объемистыми криогенными баками. Появилась мысль сделать баки наружными, разовыми. Потом отказались и от крылатой первой ступени в пользу повторно применяемых стартовых твердотопливных ускорителей. Конфигурация системы заполучила знакомый всем вид, а ее цена, около 5 млрд баксов, укладывалась в данные пределы. Правда, издержки на пуск при всем этом выросли до 12 миллионов баксов, но это числилось полностью применимым. Как горько пошутил один из разработчиков, «челнок спроектировали бухгалтеры, а не инженеры».

Полномасштабная разработка Space Shuttle, порученная фирме North American Rockwell (позже Rockwell International), началась в 1972 году. К моменту ввода системы в эксплуатацию (а 1-ый полет «Колумбии» состоялся 12 апреля 1981 года — ровно через 20 лет после Гагарина) это был во всем технологический шедевр. Вот только издержки на его разработку превысили 12 млрд баксов. На сей день цена 1-го запуска добивается и совсем умопомрачительных 500 миллионов баксов! Как так? Ведь многоразовое в принципе должно быть дешевле разового (по последней мере, в пересчете на один полет)?

Во-1-х, не оправдались прогнозы по объемам грузопотока — он оказался на порядок меньше ожидавшегося. Во-2-х, компромисс меж инженерами и финансистами не пошел на пользу эффективности челнока: цена ремонтно-восстановительных работ для ряда агрегатов и систем достигнула половины цены их производства! В особенности недешево обходилось сервис уникальной глиняной теплозащиты. В конце концов, отказ от крылатой первой ступени привел к тому, что для повторного использования твердотопливных ускорителей пришлось организовывать дорогостоящие поисково-спасательные операции.

Не считая того, шаттл мог работать исключительно в пилотируемом режиме, что значительно удорожало каждую цель. Кабина с космонавтами не отделяется от корабля, из-за чего на неких участках полета неважно какая суровая катастрофа чревата катастрофой с смертью экипажа и потерей челнока. Это случилось уже два раза — с «Челленджером» (28 января 1986 года) и «Колумбией» (1 февраля 2003 года). Последняя трагедия изменила отношение к программке Space Shuttle: после 2010 года «челноки» будут выведены из эксплуатации. На замену им придут «Орионы», снаружи очень напоминающие собственного дедушку — корабль «Аполлон» — и владеющие многоразовой спасаемой капсулой экипажа.

Фальстарт космических челноков

«Гермес», Франция/ЕКА, 1979—1994. Орбитальный самолет, запускаемый вертикально ракетой «Ариан-5», садящийся горизонтально с боковым маневром до 1 500 км. Стартовая масса — 700 т, орбитальная ступень — 10—20 т. Экипаж — 3—4 человека, выводимый груз — 3 т, возвращаемый — 1,5 т

Челноки последнего поколения

С момента начала реализации программки Space Shuttle в мире не один раз предпринимались пробы сотворения новых многоразовых кораблей. Проект «Гермес» начали разрабатывать во Франции в конце 1970-х годов, а позже продолжили в рамках Евро галлактического агентства. Этот маленький галлактический самолет, очень напоминавший проект DynaSoar (и разрабатываемый в Рф «Клипер»), был должен выводиться на орбиту разовой ракетой «Ариан-5», доставляя к орбитальной станции несколько человек экипажа и до 3-х тонн грузов. Невзирая на довольно ограниченную конструкцию, «Гермес» оказался Европе не по силам. В 1994 году проект, на который израсходовали около 2 млрд баксов, был закрыт.

Куда более фантастично смотрелся проект беспилотного воздушно-космического самолета с горизонтальным взлетом и посадкой HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing), предложенный в 1984 году компанией British Aerospace. По плану, этот одноступенчатый крылатый аппарат предполагалось оснастить уникальной двигательной установкой, сжижающей в полете кислород из воздуха и использующей его в качестве окислителя. Горючим служил водород. Финансирование работ со стороны страны (три миллиона фунтов стерлингов) через три года закончилось из-за необходимости больших издержек на демонстрацию концепции необыкновенного мотора. Среднее положение меж «революционным» HOTOL и ограниченным «Гермесом» занимает проект воздушно-космической системы «Зенгер» (Sanger), разработанный посреди 1980-х годов в ФРГ. Первой ступенью в нем служил гиперзвуковой самолет-разгонщик с комбинированными турбопрямоточными движками. После заслуги 4—5 скоростей звука с его спины стартовали или пилотируемый воздушно-космический самолет «Хорус», или разовая грузовая ступень «Каргус». Но и этот проект не вышел из «бумажной» стадии, в главном по денежным причинам.

Фальстарт космических челноков

«Буран», СССР, 1976—? (программка не была официально закрыта). Многоразовый галлактический корабль, аналог системы Space Shuttle. Вертикальный старт, горизонтальная посадка с боковым маневром 2 000 км. Стартовая масса (с ракетой «Энергия») — 2 375 т, орбитальная ступень — 105 т. Экипаж — 10 человек, нужная нагрузка — 30 т. (Для сопоставления: у Space Shuttle стартовая масса — 2 050 т, орбитальная ступень — 114—120 т. Экипаж — 7 человек, нужная нагрузка — 29,5 т). На снимке наикрупнейший в мире транспортный самолет Ан-225 «Мрия» перевозит «Буран»

Южноамериканский проект NASP был представлен президентом Рейганом в 1986 году как государственная программка воздушно-космического самолета. Этот одноступенчатый аппарат, который в прессе нередко называли «Восточным экспрессом», имел фантастические летные свойства. Их обеспечивали прямоточные воздушно-реактивные движки со сверхзвуковым горением, которые, по утверждениям профессионалов, могли работать при числах Маха от 6 до 25. Но проект столкнулся с техническими неуввязками, и сначала 1990-х годов его закрыли.

Русский «Буран» подавался в российскей (ну и в забугорной) печати как бесспорный фуррор. Но, совершив единственный беспилотный полет 15 ноября 1988 года, этот корабль канул в Лету. Справедливости ради нужно сказать, что «Буран» оказался более совершенен, чем Space Shuttle. А в отношении безопасности и универсальности внедрения даже превосходил заморского соперника. В отличие от янки русские спецы не питали иллюзий по поводу экономичности многоразовой системы — расчеты демонстрировали, что разовая ракета эффективнее. Но при разработке «Бурана» главным был другой нюанс — русский челнок разрабатывался как военно-космическая система. С окончанием «холодной войны» этот нюанс отошел на 2-ой план, чего не скажешь про экономическую необходимость. А с ней у «Бурана» было плохо: его запуск обходился, как одновременный старт пары сотен носителей «Союз». Судьба «Бурана» была решена.

За и против

Невзирая на то что новые программки разработки многоразовых кораблей возникают как грибы после дождика, до сего времени ни одна из их не принесла фуррора. Ничем окончились упомянутые выше проекты Hermes (Франция, ЕКА), HOTOL (Англия) и Sanger (ФРГ). «Завис» меж эрами МАКС — советско-российская многоразовая авиационно-космическая система. Потерпели беду и программки NASP (Государственный аэрокосмический самолет) и RLV (Многоразовая ракета-носитель) — очередные пробы США сделать МТКС второго поколения на смену Space Shuttle. В чем все-таки причина такового незавидного всепостоянства?

Фальстарт космических челноков

МАКС, СССР/Наша родина, с 1985 года. Многоразовая система с воздушным стартом, посадка горизонтальная. Взлетная масса — 620 т, 2-ая ступень (с топливным баком) — 275 т, орбитальный самолет — 27 т. Экипаж — 2 человека, нужная нагрузка — до 8 т. По утверждению разработчиков (НПО «Молния»), МАКС — более близкий к реализации проект многоразового корабля

По сопоставлению с разовой ракетой-носителем создание «классической» многоразовой транспортной системы обходится очень недешево. Сами по для себя технические трудности многоразовых систем решаемы, но цена их решения очень велика. Увеличение кратности использования просит иногда очень значимого роста массы, что ведет к увеличению цены. Для компенсации роста массы берутся (а часто изобретаются с нуля) сверхлегкие и сверхпрочные (и поболее дорогие) конструкционные и теплозащитные материалы, также движки с уникальными параметрами. А применение многоразовых систем в области практически неизученных гиперзвуковых скоростей просит значимых издержек на аэродинамические исследования.

И все таки это совсем не означает, что многоразовые системы в принципе не могут окупаться. Положение изменяется при большенном количестве пусков. Допустим, цена разработки системы составляет 10 млрд баксов. Тогда, при 10 полетах (без издержек на межполетное сервис), на один пуск будет отнесена цена разработки в 1 млрд баксов, а при тыще полетов — только 10 миллионов! Но из-за общего сокращения «космической активности человечества» о таком числе пусков остается только грезить… Означает, на многоразовых системах можно поставить крест? Здесь не все так совершенно точно.

Во-1-х, не исключен рост «космической активности цивилизации». Определенные надежды дает новый рынок галлактического туризма. Может быть, на первых порах окажутся нужными корабли малой и средней размерности «комбинированного» типа (многоразовые версии «классических» разовых), такие как европейский Hermes либо, что нам поближе, русский «Клипер». Они относительно ординарны, могут выводиться в космос обыкновенными (в том числе, может быть, уже имеющимися) разовыми ракетами-носителями. Да, такая схема не уменьшает издержки на доставку грузов в космос, но позволяет уменьшить расходы на цель в целом (в том числе снять с индустрии бремя серийного производства кораблей). К тому же крылатые аппараты позволяют резко уменьшить перегрузки, действующие на астронавтов при спуске, что является бесспорным достоинством.

Во-2-х, что в особенности принципиально для Рф, применение многоразовых крылатых ступеней позволяет снять ограничения на азимут запуска и уменьшить издержки на зоны отчуждения, выделяемые под поля падения фрагментов ракет-носителей.

Фальстарт космических челноков

«Клипер», Наша родина, с 2000 года. Разрабатываемый новый галлактический корабль с многоразовой кабиной для доставки экипажа и грузов на околоземную орбиту и орбитальную станцию. Вертикальный пуск ракетой «Союз-2», посадка горизонтальная или парашютная. Экипаж — 5—6 человек, стартовая масса корабля — до 13 т, посадочная масса — до 8,8 т. Ожидаемый срок первого пилотируемого орбитального полета — 2015 год

Гиперзвуковые движки

Более многообещающим типом двигательных установок для многоразовых воздушно-космических самолетов с горизонтальным взлетом некие спецы считают гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные движки (ГПВРД), либо, как их почаще именуют, прямоточные воздушно-реактивные движки со сверхзвуковым горением. Схема мотора очень ординарна — у него нет ни компрессора, ни турбины. Поток воздуха сжимается поверхностью аппарата, также в особом воздухопоглотителе. Обычно, единственной подвижной частью мотора является насос подачи горючего.

Основная особенность ГПВРД в том, что при скоростях полета, в 6 и поболее раз превосходящих скорость звука, поток воздуха не успевает затормозиться во впускном тракте до дозвуковой скорости, и горение должно происходить в сверхзвуковом потоке. А это представляет известные трудности — обычно горючее не успевает сгорать в таких критериях. Длительное время числилось, что единственное горючее, применимое для ГПВРД — водород. Правда, в ближайшее время получены обнадеживающие результаты и с горючими типа керосинов.

Невзирая на то что гиперзвуковые движки исследуются с середины 1950-х годов, до сего времени не сделано ни 1-го полноразмерного летного эталона: сложность расчетов газодинамических процессов при гиперзвуковых скоростях просит проведения дорогостоящих натурных летных тестов. Не считая того, необходимы жаропрочные материалы, стойкие к окислению при огромных скоростях, также оптимизированная система топливоподачи и остывания ГПВРД в полете.

Значимый недочет гиперзвуковых движков — они не могут работать со старта, аппарат до сверхзвуковых скоростей нужно разгонять другими, к примеру, обыкновенными турбореактивными движками. И, естественно, ГПВРД работает исключительно в атмосфере, так что для выхода на орбиту пригодится ракетный движок. Необходимость ставить несколько движков на один аппарат существенно усложняет конструкцию воздушно-космического самолета.

Многогранная многократность

Варианты конструктивной реализации многоразовых систем очень многообразны. При их обсуждении не стоит ограничиваться только кораблями, нужно сказать и о многоразовых носителях — грузовых многоразовых транспортных галлактических системах (МТКС). Разумеется, что для понижения цены разработки МТКС нужно создавать беспилотными и не перегружать их сверхизбыточными, как у шаттла, функциями. Это позволит значительно упростить и облегчить конструкцию.

Исходя из убеждений простоты эксплуатации более презентабельны одноступенчатые системы: на теоретическом уровне они существенно надежнее многоступенчатых, не требуют никаких зон отчуждения (к примеру, проект VentureStar, создававшийся в США по программке RLV посреди 1990-х годов). Но их реализация находится «на грани возможного»: для сотворения таких требуется понизить относительную массу конструкции более чем на третья часть по сопоставлению с современными системами. Вобщем, и двухступенчатые многоразовые системы могут владеть полностью применимыми эксплуатационными чертами, если использовать крылатые 1-ые ступени, возвращаемые к месту старта по-самолетному.

Вообщем МТКС в первом приближении можно систематизировать по методам старта и посадки: горизонтальному и вертикальному. Нередко задумываются, что системы с горизонтальным стартом имеют преимущество, так как не требуют сложных пусковых сооружений. Но современные аэродромы не способны принимать аппараты массой более 600—700 тонн, и это значительно ограничивает способности систем с горизонтальным стартом. Не считая того, тяжело представить для себя галлактическую систему, заправленную сотками тонн криогенных компонент горючего, посреди штатских самолетов, взлетающих и садящихся на аэродром по расписанию. А если учитывать требования к уровню шума, то становится естественным, что для носителей с горизонтальным стартом все равно придется строить отдельные классные аэродромы. Так что у горизонтального взлета тут существенных преимуществ перед вертикальным стартом нет. Зато, взлетая и садясь вертикально, можно отрешиться от крыльев, что значительно упрощает и удешевляет конструкцию, но совместно с тем затрудняет четкий заход на посадку и ведет к росту перегрузок при спуске.

В качестве двигательных установок МТКС рассматриваются как классические жидкостные ракетные движки (ЖРД), так и разные варианты и композиции воздушно-реактивных (ВРД). Посреди последних есть турбопрямоточные, которые могут разгонять аппарат «с места» до скорости, соответственной числу Маха 3,5—4,0, прямоточные с дозвуковым горением (работают от М=1 до М=6), прямоточные со сверхзвуковым горением (от М=6 до М=15, а по оптимистичным оценкам американских ученых, даже до М=24) и ракетно-прямоточные, способные работать во всем спектре скоростей полета — от нулевых до орбитальных.

Воздушно-реактивные движки на порядок экономичнее ракетных (из-за отсутствия окислителя на борту аппарата), но при всем этом имеют и на порядок огромную удельную массу, также очень суровые ограничения на скорость и высоту полета. Для оптимального использования ВРД требуется совершать полет при огромных высокоскоростных напорах, защищая при всем этом конструкцию от аэродинамических нагрузок и перегрева. Другими словами, сберегая горючее — самую дешевенькую компоненту системы, — ВРД наращивают массу конструкции, которая обходится еще дороже. Все же ВРД, возможно, отыщут применение в относительно маленьких многоразовых аппаратах горизонтального старта.

Более близкими к реальности, другими словами ординарными и относительно дешевенькими в разработке, пожалуй, являются два вида систем. 1-ый — типа уже упомянутого «Клипера», в каких принципно новым оказался только пилотируемый крылатый многоразовый аппарат (либо большая его часть). Маленькие размеры хоть и делают определенные трудности в части теплозащиты, зато уменьшают издержки на разработку. Технические трудности для таких аппаратов фактически решены. Так что «Клипер» — это шаг в правильном направлении.

2-ой — системы вертикального запуска с 2-мя крылатыми ракетными ступенями, которые могут без помощи других возвратиться к месту старта. Особенных технических заморочек при их разработке не ожидается, ну и подходящий стартовый комплекс можно, наверняка, подобрать из числа уже построенных.

Подводя результат, можно считать, что будущее многоразовых галлактических систем светлым не будет. Им придется отстаивать право на существование в грозной борьбе с простыми, но надежными и дешевенькими разовыми ракетами.

Дмитрий Воронцов, Игорь Афанасьев