А.А.Куландин, П.П.Рябошапка
Ракетно-космические системы выведения космических объектов (КО) были созданы и конце 50-х годов на производственной базе промышленности межконтинентальных баллистических ракет (МБР). Баллистические ракеты как средство доставки ядерных зарядов являлись изделиями одноразового применения, что определило принципы их проектирования, изготовления и эксплуатации.
Создание ракетно-космических систем (РКС) для выведения КО обусловило необходимость рассматривать разгонные ступени МБР как элементы транспортной системы многократного применения. Разработка этого научного направления проводилась с использованием метода комплексных исследований [1] ленинградскими учеными совместно со специалистами ведущих НИИ и КБ ракетно-космической отрасли с 50-х годов в Ленинградской военной Краснознаменной инженерной академии им. А.Ф.Можайского (ЛВВИА), где за период с 1955 по 1974 гг. был проведен ряд специальных научно-технических конференций (НТК), посвященных созданию ракетно-космических комплексов различного назначения, и том числе многоразовых РКС. С докладами, подготовленными по результатам выполнения работ, на этих конференциях выступали представители ЛВВИА, ЦНИИМАШ, ОКБ главных конструкторов С.П.Королева., Д.И.Козлова, М.К.Янгеля, а также сотрудники специализированных НИИ и заказывающих ведомств [1-27].
Проблема создания многоразовых систем выведения рассматривалась также на основе использования проектных заделов и производственной базы авиационной промышленности, при этом за исходную предпосылку принималось следующее положение: система выведения КО — это летательный аппарат, как самолет, поэтому ее нужно проектировать с горизонтальным стартом и горизонтальной посадкой при использовании и плотных слоях атмосферы воздушно-реактивных двигателей (ВРД). В большинстве работ этого направления исследований, как правило, по ряду причин недостаточно глубоко анализировались следующие положения:
— пассивная масса самолетной разгонной ступени (СРС) в несколько раз больше, чем у ракетной разгонной ступени (РРС);
— конечная скорость СРС лежит в пределах Vk1 = 200-500 м/с, что составляет только 5-10% первой космической скорости;
— для обеспечения горизонтального излета (ГВ) и горизонтальной посадки (ГП) необходимо на космодромах иметь взлетно-посадочные полосы (ВВП) длиной в несколько километров;
— при возврате крылатых ступеней с орбиты существенно усложняется проблема теплозащиты, пассивная масса которой может достигать значений в 5-10 раз больше, чем пассивная масса теплозащиты РРС.
Авторами данной статьи в конце 50-х годов была разработана концепция создания многоразовых РКС на базе РРС. Научные основы этой концепции и результаты соответствующих комплексных исследований неоднократно обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах, совещаниях в заказывающих организациях, а так же при подготовке правительственных постановлений [2-6, 13-15, 18, 23, 26-27].
Разработка концепции включала следующие основные положения:
1. Многоразовая РКС должна иметь такие технические решения, таким образом проектироваться, чтобы величина пассивной массы ступеней была порядка 10% от стартовой массы, т.е. такая же, как у РРС.
2. Двигательные установки (ДУ) на всех этапах выведения должны иметь удельный импульс Руд не хуже, чем у ракетных двигателей, т.е. более 350-450 с, а в перспективе удельный импульс ДУ должен быть более 1000 с.
3. Многоразовая глобальная транспортная ракетно-космическая система (ГТ РКС) должна быть одноступенчатой, при этом относительная масса полезной нагрузки GnH не должна быть менее 10%, а п перспективе должна достигать значений 20-30% (как у других глобальных транспортных систем).
4. Одноступенчатая ГТ РКС должна иметь конструкцию, обеспечивающую вертикальный старт (ВС) и вертикальную посадку (ВП) к любом районе земного шара как на сушу, так и на водную поверхность.
5. Должен быть создан типовой ряд оптимальных по технико-экономическим показателям ГТ РКС. Была установлена закономерность и получены математические зависимости для определения оптимальных размерностей ГТ РКС. В начале 60-х годов этот типовой ряд включал системы с базовыми массами полезной нагрузки Gn1=1т, Gn2=5 т, Gn3=20 т, Gn4=50 т, Gn5=100 т, Gn6=200 т, Gn7=500 т.
Оптимизация размерностей транспортных космических кораблей ГТ РКС проводилась по критерию Р1 минимальной стоимости выведения единицы массы полезной нагрузки в пересчете на программу с учетом всех этапов жизненного цикла РКС. Следовательно, величина критерия Р1 рассчитывалась по зависимости вида:
где: Ссум — суммарная стоимость программы; — G0 — стартовый вес; Gn — полезная нагрузка; m — число пусков; С01 — стоимость одного пуска; Т — время развития РКС; Gncyм — суммарный вес полезной нагрузки. В свою очередь, С01 определяется по формуле:
где: Ср(Т) — прогнозная стоимость разработки РКС; Сп(Т) — стоимость производства РКС; Сэк(Т) — стоимость эксплуатации.
6. Создание многоразовых РКС должно осуществляться по этапам. Рассматривались следующие последовательные этапы развития многоразовых РКС:
1-й этап. Создание РН с управляемыми при возвращении ступенями. При этом обеспечивается существенное уменьшение площадей зон отчуждения.
2-й этап. Создание многоразовых РН с возвращаемыми в район старта и повторно используемыми первыми ступенями.
3-й этап. Создание многоступенчатых многоразовых РН с возвращаемыми в район старта и повторно используемыми ступенями.
4-й этап. Создание одноступенчатых ГТ РКС с ВС и ВП с кратностью применения не менее 100 раз.
Разработка концепции создания многоразовых РКС определяет следующие основные направления работ при поиске оптимальных технических решений:
— разработка ДУ и поиск новых типов топлив, обеспечивающих удельный импульс более 500 с и позволяющих получать приведенный удельный импульс более 1000 с;
— исследование путей использования новых, в том числе композиционных, материалов, обеспечивающих повышение ресурса ("многоразовости") конструкций при сохранении величины относительной пассивной массы менее 10%;
— отработка надежности и оптимизации массы систем ВС и ВП для одноступенчатых ГТ РКС;
— разработка научно-технического обеспечения для создания нового поколения многоразовых РКС и и обоснование программы их развития на длительный (20-50 лет) период.
По данным исследований, направленных на разработку научно-технического обеспечения многоразовых РКС второго поколения, которые должны заменить системы "Спейс Шаттл" и "Буран", в настоящее время имеются предпосылки для достижения следующих научно-технических результатов:
— создание экологически чистых ДУ с удельным импульсом порядка 800-1200 с за счет применения новых топлив, разработки нетрадиционных устройств накопления и преобразования энергии, а также оптимизации режимов работы комбинированных многоконтурных тяговых систем;
— разработка технических решений, обеспечивающих существенное (в 1,5-2 раза) уменьшение пассивной массы разгонных ступеней за счет применения новых материалов и методов проектировании, позволяющих оптимизировать конструктивно-компоновочные схемы элементов, узлов, устройств и изделий в целом;
— разработка многоразовых (многоцикловых) теплозащитных систем, позволяющих в несколько раз уменьшить весовые затраты на теплозащиту за счет использования новых принципов поглощения и отвода тепла, основанных на реализации явлений термоупругих фазовых переходов, а также поиска нетрадиционных схем организации тепловых потоков;
— создание систем ВС и ВП, обеспечивающих эффективную эксплуатацию многоразовых ГТ РКС в любом районе земного шара и на околоземных орбитах.
Проблемы создании многоразовых РКС нового поколении и реализации имеющихся научно-технических предпосылок в области двигательных установок, конструктивно-компоновочных решений и теплозащитных систем могут быть успешно решены лишь при проведении исследований с целью разработки эффективного научно-технического обеспечения, включающего:
— обоснование задач для РКС с учетом общественно-политических условий и новых философских концепций;
— поиск оптимальных технических решений для элементов, узлов и изделий в целом;
— разработку новых научных направлений в области создания глобальных систем космического базирования, накопление научно-технических и проектно-конструкторских заделов на базе теоретических и экспериментальных исследований и летно-конструкторских испытаний элементов многоразовой РКС;
— технико-экономическое обоснование программ создания многоразовых ракетно-космических комплексов с учетом конкуренции со стороны других глобальных транспортных систем и развития космонавтики на длительный период (20-50 лет);
— создание эффективной системы оптимального управления реализацией разработанных программ, обеспечивающей получение максимальной прибыли и учет изменения социально-политических условий, влияющих на объемы финансирования работ.
Литература и источники.
1. Рябошапка П.П. Научно-техническое обеспечение программ развития ракетно-космическом техники (История и современность). //"Из истории авиации и космонавтики"., вып. 60., М. 1991., с.94-105
2. Куландин А.А., Рябошапка П.П. Доклад на НТК ЛВВИА, Л. 1967.
3. Дробов С.А., Рябошапка П.П., Языков В.Н., Москалев А.С. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1969.
4. Куландин А.А.. Доклад на НТК ЛВВИА, Л. 1969.
5. Рябошапка П.П.. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1969.
6. Фатхулин Х.Х., Рябошапка П.П. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1969.
7. Слабский Л.И. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1969.
8. Генералов В.К., Кожухов B.C., Абрамушкин В.В. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1969.
9. Савинов B.C., Трофимов В.И., Гребнев H.С. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1969.
10. Чекалин С.В. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1969.
11. Лапшин В.И. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1969.
12. Сивчиков Б.Е. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1969.
13. Рябошапка П.П., Языков В.Н. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1973.
14. Рябошапка П.П. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1973.
15. Куландин А.А. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1973.
16. Гришин С.Д., Сенкевич В.П., Суриков В.М., Соловьев Ц.В., Шубралов В.А. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1973.
17. Мельников Г.Л. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1973.
18. Максимов А.А., Боков В.А., Щербаков П.В., Вимборг Г.П., Рябошапка П.П., Киселев И.Н. Доклад на НТК ЛВВИА, Л.Д973.
19. Корнеев И.И., Чинарев А.А., Мосягин В.Н., Серенко А.М. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1973.
20. Генералов Б.Х., Кабанов 8.В., Чепурных В.М. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1973.
21. Будник А.С., Самойлов Л.П., Кузмин Е.П., Еськов Ю.М, Пек М.А., Волчков И.И., Смирнов А.Н. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1973.
22. Гришин С.Д., Архипов ЕВ., Костромин С.Ф., Суриков В.М., Чекалин СВ. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1973.
23. Рябошапка П.П., Бойченко Б.И. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1973.
24. Фомин Г.Е., Нагорнов АС, Глушенко Г.К., Тулупов B.C. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1973.
25. Чекалин С.В. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1973.
26. Мельников Г.П., Татарский В.Ю., Полтавец Г.А. Доклад на НТК ЛВВИА, Л.,1973.
27. Бойченко Б.И., Алиев В.Г., Бурдаков В.П., Рябошапка П.П. Доклад на НТК ЛВВИА, Л., 1973.