Skip to content
 

Каким быть космическому кораблю XXI века? Часть 2.1

Прочтите сначала предыдущие статьи серии:

1950-е – 1960-е годы. Ракета плюс гиперзвуковой планер. ч.1

1950-е – 1960-е годы. Ракета плюс гиперзвуковой планер. ч.2

Где-то видел я мнение, что американские работы по воздушно-космическим самолётам (ВКС), проводившиеся с конца 1950-х по середину 1970-х годов, не были доведены до завершения в том числе и потому, что в СССР была создана пушка для вооружения орбитальных станций и испытаны спутники – истребители космических объектов. Так это или нет, судить трудно; во всяком случае, эти советские достижения не помешали вводу в эксплуатацию многоразовых транспортных космических кораблей (МТКК) «Спейс шаттл», разработка которых началась в тех же 1970-х годах. Что можно сказать определённо – так это то, что экспериментальные аппараты, которые тогда были доведены до стадии лётных испытаний, предполагалось выводить в космос вертикально стартующими, одноразовыми ракетами-носителями (РН).

Однако это не означает, что НАСА, ВВС США и компании аэрокосмического комплекса не занимались проработками систем, в которых возвращаемыми являются все их компоненты, либо, в крайнем случае, почти все – за исключением наименее ценных.

Статья 2. 1960-е. Запад. Первая волна «полных многоразов»

Понятно, что при интенсивном использовании многоразовая система должна быть суммарно экономичнее той, в которой имеются дорогостоящие одноразовые компоненты. Другое дело, что практика – впрочем, небогатая – пока не подтвердила этого теоретического преимущества. Тому много причин, и мы ещё коснемся некоторых из них. Однако нет сомнения, что настоящая космическая экспансия, и в первую очередь широкое экономическое использование ресурсов околоземного пространства и Луны, возможна лишь при условии, что большая часть транспортных операций будет выполняться многоразовыми космическими системами.

Самый верхний, «грубый» уровень классификации таких систем – это деление их на системы с вертикальным и горизонтальным стартом. Если второй тип пока является атрибутом «светлого будущего», то первый, как известно, был частично реализован в американском МТКК «Спейс шаттл»1. Поэтому вполне логично будет начать с него.

Сноска 1
Наш «Буран» выводился на орбиту одноразовой ракетой «Энергия». Такое решение, наряду с очевидными минусом в отношении «многоразовости» всей системы, дает и некоторые существенные преимущества перед схемой американского «челнока», об этом разговор, опять же, впереди. Были планы улучшения экономических показателей системы «Энергия-Буран» путём парашютного спасения боковых блоков – первой ступени ракеты-носителя; однако, во-первых, им не пришлось воплотиться в жизнь, и, во-вторых, это всё же не сделало бы ракету «Энергия» полностью многоразовой. Так что в той логике, в которой идёт наш рассказ, схема «Энергии-Бурана» – это схема «космоплан плюс ракета-носитель», и, следовательно, её предшественники описаны в предыдущей статье.
/Сноска 1

Предтечи «Колумбии»: вертикальный старт

Сейчас принято говорить об уменьшении стоимости вывода на орбиту килограмма полезного груза; однако вряд ли этот показатель имел первостепенное значение в 1960-х годах. Для того периода лучше подходит показатель стоимости жизненного цикла, применяемый для любой системы вооружения. Он включает все затраты на систему, от первых ассигнований на разработку до средств, необходимых для снятия её с вооружения и утилизации.

Вместе с тем, идея долговременной орбитальной станции была, в большей или меньшей степени, популярна у руководства НАСА и ВВС США на всём протяжении 1960–1970-х годов. Поэтому цифры стоимости выведения полезных грузов на орбиту всё же интересовали заказчиков космической техники. Для производителей, кроме всего прочего, их привлекательно-низкие расчётные значения являлись немаловажным аргументом в борьбе за финансирование.

Единственное неотъемлемое преимущество многоразовой системы вертикального старта перед комплексом «космический самолёт плюс ракета-носитель» состоит именно в её «сквозной» многоразовости, что, по идее, должно привести к снижению суммарных расходов за весь период эксплуатации. Если же добавить сюда то обстоятельство, что в американских проектах тех лет ещё всерьёз не рассматривалось применение на первых ступенях маршевых воздушно-реактивных двигателей, то можно объяснить, почему большинство проработок систем с полностью возвращаемыми элементами относилось к типу систем вертикального старта. Перед тем, как коротко описать эти проекты, сразу оговоримся, что все они не продвинулись дальше теоретических расчётов и, в некоторых случаях, лабораторных экспериментов.

…Тогда самым перспективным носителем считалась ракета «Сатурн». Магистральной линией её развития являлось движение от ранних, менее мощных образцов к 2900-тонному «Сатурну-5», доставившему первых землян на Луну. Параллельно же изучалось несколько проектов «крылатого» «Сатурна».

Один из них, например, предполагал установку крыльев: площадью 92,9 кв. м на первую ступень (S-IС, заправленная масса 2286 т), и площадью 46,9 кв. м – на вторую ступень (S-II, 490,8 т). Основным вариантом использования был пилотируемый. Кроме крыльев, аэродинамических рулей и лётчика, основным отличием такой первой ступени от обычной были вспомогательные турбореактивные двигатели (ТРД); они должны были обеспечить её полёт к месту посадки, которая производилась бы на обычную полосу со скоростью порядка 300 км/ч. Вторая ступень, работа которой при выведении заканчивается на значительно большей скорости, чем у первой, должна была иметь термозащитное покрытие по типу кораблей «Джемини» или «Аполлон». И, благодаря этому самому запасу скорости, её посадка была планирующей, как у ракетоплана Х-15 до неё и шаттла с «Бураном» – после.

Фирма «Мартин», с её экспериментальным аппаратом Х-24 (см. предыдущую статью), была в то время одной из наиболее компетентных в области крылатых космических кораблей. Параллельно с испытаниями Х-24 она вела проект AR-14В «Астророкет» – двухступенчатой крылатой системы для доставки на 500-км орбиту груза в 22,7 т (50 000 фунтов).

Вторая, орбитальная ступень системы «Астророкет», длиной 40 м, с дельтавидным крылом размахом 22 м, устанавливалась на верхнюю поверхность первой, разгонной ступени. Кабина на трёх членов экипажа должна была обеспечивать срок их пребывания на орбите не менее недели. Посадка, как обычно для ВКСов: тормозной импульс для схода с орбиты, торможение в верхних слоях атмосферы, гиперзвуковое планирование с гашением скорости. На заключительном этапе, на малой высоте, полёт производился с помощью двух ТРД.

Первая ступень, также с дельтавидным крылом, была немного больше – длина 43 м, размах 23 м. После доставки орбитальной ступени на высоту 65 км первая ступень под управлением пилота производила спуск, подобно ракетоплану Х-15, и горизонтальную посадку, для которой также снабжалась четырьмя ТРД.

Сборка всей системы должна была происходить в горизонтальном положении, после чего она устанавливалась вертикально и взлетала по-ракетному. Суммарная тяга её основных жидкостных ракетных двигатели (ЖРД), естественно, большая, чем общая стартовая масса системы, равнялась 1370 т.

Вертикально стартующую систему под названием «Астро» исследовала и компания «Дуглас». Двухступенчатая система рассчитывалась на вывод полезной нагрузки в 16,6 т на орбиту высотой 550 км. В её состав входили два похожих друг на друга аппарата с треугольным крылом стреловидностью 67,5° с обрезанными законцовками, на которых устанавливались элевоны и кили с рулями направления. В отличие от «Астророкет», ступени соединялись перед стартом последовательно – разгонщик «толкал» орбитальную ступень. Сборка системы, вместе с пусковым устройством, производилась в горизонтальном положении, после чего всё это сооружение поворачивалось вертикально для пуска.

Надо сказать, что на такого рода исследования выделялись десятки миллионов долларов, и объём проводившихся работ, соответственно, был далеко не маленьким. Так, для системы «Астро» было рассчитано множество параметров, от перегрузок, скоростей и скоростных напоров по всей траектории полёта до температур кинетического нагрева в различных частях аппарата. Был установлен профиль крыла, выбраны конкретные двигатели, проработана система отделения кабины экипажа и грузового отсека в аварийных ситуациях.

Для орбитальной ступени была спроектирована сложная и эффективная система термозащиты, не использующая испаряющейся обмазки. Стенка в районе кабины представляла собой «сэндвич» из трёх слоев, разделённых зазорами. Через зазор между верхним молибденовым покрытием и средним изолирующим слоем продувался охлаждающий газ. Второй зазор, между изолирующим слоем и стенкой кабины, служил для впрыска воды, которая поглощала тепло за счёт скрытой теплоты парообразования. Всё это, по расчетам, позволяло иметь температуру стенки кабины максимально 50–60° С при температуре наружного покрытия 1220° С.

Заправленная разгонная ступень должна была весить 300 677 кг, её длина составляла 29,0 м, размах крыла – 18,7 м. Сам космический корабль, при весе конструкции 11 600 кг, имел стартовый вес 89 413 кг, длину 20,7 м и размах крыла 13,4 м. Разделение производилось на высоте 82 км, в 110 км от точки старта; в этот момент работали только вспомогательные ЖРД орбитальной ступени – чтобы дать время разгонщику уйти с направления мощной реактивной струи основного двигателя ОС. Разгонщик после разделения в планирующем режиме мог пролететь, в случае надобности, до 830 км и приземлиться с посадочной скоростью 163 км.

Вторая ступень – космический аппарат с экипажем их двух человек – имела возможность многократного включения двигательной установки для маневрирования на орбите и выдачи тормозного импульса. Её аэродинамические качества обеспечивали боковую дальность при планирующем спуске до 3700 км.

Интересный проект системы вертикального старта развивала фирма «Конвэр» в соответствии с контрактом от НАСА, заключённым в 1968 году. Система «Траймс» состояла из трёх очень похожих элементов, состыкованных бортами друг с другом. Средняя ступень была орбитальной, боковые – разгонными, заканчивавшими свою работу при скорости 2,44 км/с. Система весом в 518 т взлетала при работе ЖРД всех трёх ступеней, причем двигатели орбитальной питались из баков разгонных. Для возвращения на Землю все три ступени использовали узкое выдвижное крыло с изменяемой стреловидностью и размахом 29 м на минимальном угле стреловидности. Кроме того, для маневрирования на малых, «авиационных» скоростях каждая ступень имела по два турбовентиляторных двигателя.

Считалось, что система сможет доставлять 11,3 тонны на орбиту с небольшим наклонением и 8,4 тонны – на полярную орбиту.

…Специалисты «Боинга», работавшие над различными вариантами спасения первой ступени ракеты «Сатурн-5», пришли к выводу, что спасать-то можно, но даже в самом лучшем случае экономия в результате составит не более 50% – ведь ступень разрабатывалась всё же как одноразовая, поэтому для подготовки её к повторному вылету нужно будет выполнить очень значительный объём работ и понести соответствующие затраты. Поэтому на «Боинге» в те же годы тоже рассматривали различные схемы многоразовых систем, как с вертикальным, так и с горизонтальным стартом.

Заканчивая материал об американских проектах полностью многоразовых комических систем с вертикальным стартом, сделаем одно замечание. Здесь мы рассмотрели системы, в которых посадка должна была выполняться горизонтально, по-самолётному. Соответственно, все они характеризуются наличием крыльев у разгонных ступеней.

Но ведь это не единственный вариант. Более простой выглядит идея обеспечения возможности «вертикального» спасения отработавших ступеней обычных, «бескрылых» ракет-носителей. Чуть выше мы говорили, что компания «Боинг» пробовала сделать систему спасения для первой ступени носителя «Сатурн-5»; при этом рассматривались различные варианты использования парашютов, аэростатов и даже авторотирующего вертолётного винта. Однако получилось, что «прилаживать» спасательную систему к готовым ракетным ступеням неэффективно. Если её и применять, то такую возможность надо закладывать с самого начала разработки конструкции.

Что и было сделано при разработке МТКК «Спейс шаттл», а также рассматривалось в некоторых проектах следующих лет. Надо думать, такой подход к решению проблемы улучшения экономических показателей ракетно-космических систем не утратил своей привлекательности и сегодня.

…Вопрос о том, какая многоразовая система лучше – с вертикальным стартом или с горизонтальным (при условии, что есть финансовая и техническая возможность сделать и ту, и другую) – этот вопрос не так прост, как может показаться на первый взгляд. Одно можно сказать с уверенностью: система вертикального старта, даже если у неё есть крыло, при выходе на орбиту или совсем не использует аэродинамическую подъёмную силу, которую это крыло создаёт, или использует в незначительной степени.

392-тонный «Руслан» поднимают в воздух четыре двигателя с суммарной максимальной тягой 93,6 т. Для вертикального же старта конструкции одинакового с «Русланом» веса нужна тяга порядка 500 т. То есть аэродинамическая подъёмная сила крыла – это очень серьёзный ресурс, которым и стремятся воспользоваться разработчики другого типа многоразовых космических систем – систем с горизонтальным стартом.

Окончание статьи

Ещё о космосе:

На чем будем летать в космос через десять лет?

Прошло 30 лет, и нам опять хочется на Луну

Трудности и надежды «космического каботажа»

И снова здравствуйте

Мои поздравления Европейскому космическому агентству!

Просто помечтать, или кто кого обманет?

Кто кого обманет, вторая серия

В 90-е годы мы тоже создавали новую космическую технику

Ракета на заднем дворе

Полетел шестой турист, и вообще всё в порядке

Три романтики Байконура

Написать отзыв

CAPTCHA изображение
*