«Техника-молодежи» 1997 №4, с.31-34
| Сергей АЛЕКСАНДРОВ, аспирант Станислав ЗИГУНЕНКО, инженер | В НОВЫЙ ВЕК |
| НА НОВЫХ КОСМОПЛАНАХ | |
АВТО НА ОДНУ ПОЕЗДКУ. Дорогу в космос, как известно, проложили межконтинентальные баллистические ракеты. Предназначались они, понятное дело, отнюдь не для пассажиров и мирных грузов, а потому имеют ряд особенностей, делающих их эксплуатацию далеко не простым делом.
Начать хотя бы с того, что такое изделие, как правило, одноразово. С одной стороны, оно, рассчитанное на работу в течение всего лишь 10 мин, значительно проще и легче «челнока», предназначенного для многократного включения и эксплуатации в течение сотен часов. С другой, все его системы должны быть исключительно надежны. А с этим, как показала хотя бы недавняя авария так и не долетевшего до цели «Марса-8», и поныне проблемы.
Далее, военным неважно, куда падают отработавшие свое ступени — после взрыва боеголовок, такие «мелочи» вряд ли кого заинтересуют. Но в мирное время, когда подобные ракеты используются для научно-исследовательских или коммерческих целей, приходится тщательно выбирать место старта, отводить специальные зоны отчуждения для падения ступеней.
Да и вообще, что вы, интересно, сказали, если бы вам предложили автомобиль на одну поездку. Кому такой нужен?..
Поэтому с самого начала космической эры специалисты предлагали варианты многоразовых космических носителей. В конце 50-х гг сотрудники Ленинградской военно-воздушной инженерной академии им. А.Ф.Можайского сформулировали основные требования к такой конструкции. По их расчетам получилось, что она станет рентабельной, как только скорость истечения газов из ракетных дюз достигнет 5-10 км/с, а масса топлива составит не менее 90% стартовой...
Увы, даже лучшие сегодняшние «движки» могут обеспечить скорость истечения газов порядка 4,2 км/с, а отношение стартовой массы к конструкционной как 9:1 удается добиться лишь для одноразовых ракет. Многоразовые носители, требующие еще двигателей и запаса топлива для орбитального маневрирования, теплозащиту аппарата при аэродинамическом торможении, наличия системы посадки и т.д., в столь жесткие нормы пока не укладываются.
«А как же «шаттлы»?» — наверняка спросите вы. К ответу на этот вопрос мы сейчас и переходим.
ЛЕГЕНДА ОБ ЭКОНОМИЧНОМ «ЧЕЛНОКЕ». Оказывается, мастера рассказывать научно-технические сказки есть не только в нашей стране. Вспомним, при каких обстоятельствах закладывалась программа «Space Shuttle». Соединенные Штаты в те годы воевали с Вьетнамом, а война — дорогое удовольствие даже для очень богатой страны. Отчасти поэтому конгресс закрыл финансирование национальной программы создания сверхзвукового пассажирского самолета, предоставив возможность тратить деньги на то СССР, Англии и Франции. Была свернута и программа «Apollo», политическая цель которой — доказать всему миру превосходство американской техники — была уже достигнута; люди высадились на Луну. NASA требовалось срочно предпринять нечто, чтобы показать правительству свою значимость, добиться от конгресса финансирования на очередной год. В этих условиях и была запущена «деза» об экономической целесообразности «шаттла».
Впрочем, полеты на воздушно-космическом самолете (ВКС) должны, по идее, действительно оказаться таковыми, когда проект будет доведен до логического завершения с включением в него не только флота полностью многоразовых кораблей, но и межорбитальных буксиров, постоянно функционирующей орбитальной станции, базы на Луне и т.д. Но что вышло в действительности? Получив ассигнования от конгресса, эксперты NASA очень скоро пришли к выводу, что на такие деньги настоящий ВКС не сделаешь. И тогда стали делать то, что можно, — некую гибридную конструкцию, включавшую многоразовый «челнок» и одноразовую стартовую систему для него. При этом постарались не выпячивать ее низкую рентабельность, сомнительную безопасность полетов.
Чем все обернулось, вам хорошо известно: гибель экипажа «Челленджера» повергла в шок не только Америку. Почему после этого программа не была свернута, а лишь подверглась модернизации? Во-первых, в США к тому времени практически прекратили поиск одноразовых ракет-носителей. Во-вторых, недаром говорят: один миф порождает другие... К тому времени американцам стало известно, что наши конструкторы тоже ведут работу над аналогичной системой. О чем, естественно, тут же было доложено президенту и конгрессу, которые нашли деньги на дальнейшее совершенствование «шаттла».
Возможно, реакция Белого Дома была бы совершенно иной, знай за океаном, как у нас разворачивалась программа строительства «Бурана». В свое время, как мы уже писали (см., например, «ТМ», № 2 за 1996 г.), перед «Бураном» у нас было, по крайней мере, четыре параллельные разработки, предназначавшиеся для военных целей. Но ни одну иэ них не довели до конца. Логика советского руководства была проста: раз у американцев нет ничего подобного, значит, и нам такого не нужно. Аналогичная реакция последовала и на предложение создать летательный аппарат, который бы стартовал со «спины» самолета-матки и мог выходить за пределы атмосферы на космическую высоту, возможно, даже на орбиту. «Не будем заниматься фантастикой», — решил тогдашний министр обороны А.А. Гречко.
Спохватились лишь, когда за океаном начали запускать «шаттлы». Стратеги переполошились: если американцам вдруг придет в голову сбросить на Кремль «подарок» мегатонн на десять, перехватить супостата нечем.
Однако и в этом случае никто не вспомнил о собственных разработках. Действовали по рецепту, опробованному еще И.В.Сталиным. Помните, когда А.Н.Туполев предложил сделать бомбардировщик — носитель атомной бомбы — лучший, чем у американцев, вождь ответил: «Лучше не надо. Сделайте такой же...» И «летающая крепость» была скопирована до последней заклепки.
И ныне только специалист может указать на отличия нашего «Бурана» от ихнего «шаттла». (Правда, те же спецы говорят, тут все дело в общих требованиях и законах аэродинамики.) А для вывода космического самолета на орбиту была создана «Энергия» — самая мощная (и дорогая) в мире ракета-носитель.
Впрочем, даже при таком раскладе, дела с запуском «Бурана» шли ни шатко, ни валко: непосредственный руководитель проекта, академик В.П.Глушко, болел, в Кремле, похоже, задули другие ветра... Там стали понимать, что самая надежная защита от бомб и ракет — сделать так, чтобы никому и в голову не приходило ими бросаться. Эпоха «холодной войны» заканчивалась; причины тому были не только политические, но и экономические: трезвый расчет показал, что очередного витка гонки вооружений — теперь уже в рамках программы «звездных войн» — советская экономика попросту не выдержит.
Так что «Буран» полетел скорее по инерции... Причем не в 70-летний юбилей комсомола, как планировалось: по техническим причинам его пришлось перенести на несколько дней. 15 ноября 1988 г. «Буран» в первый и последний раз взлетел, а руководитель программы Ю.П.Семенов совершил благополучную посадку в кресло руководителя РКК «Энергия», которое занимает и по сей день. Несколько заготовок отечественного ВКСа пришлось за ненадобностью порезать на металлолом, а пару уже сделанных экземпляров возят по выставкам в надежде пристроить хоть куда-нибудь. Один даже отправили в ЦПКО им. Горького для развлечения отдыхающих — какая-никакая, а все-таки польза (см. «ТМ», № 12 за 1996 г).
НА ЧУЖИХ КРЫЛЬЯХ. Тем временем в мире совершенствование системы «Space Shuttle» продолжается. Эксперты полагают, что на смену нынешней схеме, включающей стартовые ускорители, внешний бак и непосредственно ВКС, должна прийти другая, усовершенствованная. С аэродрома ( а не с космодрома, заметьте) стартует самолет-матка, везущий ВКС. Достигнув максимума по потолку и скорости, он сбрасывает его и возвращается на аэродром. ВКС же с помощью собственных двигателей и внешнего бака поднимается на орбиту.
По такой схеме должен действовать наш МАКС ( многоразовый авиационно-космический комплекс), британский «HOTOL», немецкий «Saenger»... Однако до сих пор подобные задумки реальны лишь наполовину. Самолеты на роль носителя есть — это, в первую очередь, Ан-224 «Мрия»; причем, перспективность «аннушки» оценили и зарубежные конструкторы. А вот радикально модернизировать ВКС, существенно повысив ресурс двигателей — пока никому не удается.
Тем не менее, ученые и инженеры отступать не собираются. Это видно хотя бы по проекту Х-34, недавно обнародованному NASA. Согласно ему, к 2000 г предполагается создать космоплан для доставки на орбиту коммерческих грузов.
Был объявлен конкурс на лучший проект. Изучив предложения, поступившие от четырех участников, NASA отдало предпочтение объединению фирм «Orbitl Saincs Согр.» (OSC) и "Rockwell International". Рассматриваются два близких варианта. В одном Х-34А запускается с самолета L-1011 фирмы «Lockheed», уже опробованного в этой роли при запусках малого космического «шаттла» «Pegas». В другом — ВКС Х-34В, отличающийся большими размерами, предполагается установить сверху на фюзеляже самолета «Boeing-747», используемого NASA для перевозки орбитальных кораблей «Space Shuttle».
Как сообщил еженедельник «Aviation Week and Space Technology", фирма OSC приступила к работам по формированию облика недорогого ВКС XXI в. еще в мае 1993 г. «При этом была поставлена цель снизить, по крайней мере, втрое существующие сейчас расходы по выводу грузов на орбиту», — добавляет журнал.
Типичный запуск Х-34А должен проводиться в следующей последовательности. После удаления самолета-носителя от базы примерно на 1400 км и достижения им высоты в 10 км, ВКС отделяется из-под его «брюха», где был закреплен. Через 5 с включаются собственные двигатели ВКС, и он продолжает набор высоты, разворачиваясь по мере подъема на 180° вокруг продольной оси — на «спину». Это необходимо потому, что, во-первых, грузовой люк находится на его «животе», а полезную нагрузку удобнее выпускать вверх по отношению к поверхности Земли. Во-вторых, «спина» покрыта теплоизоляцией, что позволяет при посадке избежать перегрева конструкции.
За 3 мин скорость ВКС увеличивается примерно до 4000 м/с. По достижении высоты 90-110 км происходит открытие створок грузового люка и сброс полезной нагрузки (например, спутника) массой до 5100 кг. Дальнейшие маневры спутник должен выполнять за счет собственных двигателей.
После этого ВКС продолжает полет по баллистической траектории, через 6 мин достигает апогея в 175 км и начинает снижение. При входе в атмосферу, под сравнительно небольшим углом, тепловые и аэродинамические нагрузки, согласно расчетам, должны быть существенно меньше, чем при возвращении нынешних «шаттлов», которые, можно сказать, «ныряют» в толщу атмосферы, ибо планируют немногим лучше утюга.
На высоте 7800 м, имея скорость около 2М (М — скорость звука в атмосфере), ВКС снова совершает переворот на 180°, уточняет свое местоположение с помощью спутниковой навигационной системы и заходит на посадку. Масса пустого Х-34, составляющая около 6700 кг, дает удельную нагрузку на крыло примерно такую же, как у легкого самолета «Cessna». Спустя 20 мин после начала полета, ВКС касается посадочной полосы на скорости 220 км/ч, выпускает тормозной парашют и останавливается, пробежав 900 м.
Для варианта Х-34В, имеющего несколько большие размеры (его длина 26,8 м против 22 м у Х-34А), будут использованы либо два модернизированных маршевых двигателя МА-5, либо модифицированный двигатель второй ступени «Дельта», либо российский РД-120. Они имеют большую тягу, а поэтому могут обеспечить вывод примерно вдвое большей по массе и втрое по объему полезной нагрузки. Стоимость же Х-34В всего на 10% выше, чем Х-34А.
После окончательного выбора того или иного варианта, соответствующих конструкторских доработок, первый «провоз» Х-33 без сбрасывания его с носителя должен состояться в середине 1997 г. Первый полет с выходом на орбиту намечается год спустя.
В ПОЛЕТ, КОСМОЛЕТ? NASA рассматривает также возможность создания одноступенчатого «шаттла» в рамках проекта X-3/RLV. Задача-максимум — получение транспортной системы, эксплуатация которой будет мало чем отличаться от использования межконтинентального пассажирского авиалайнера.
Летом 1996 г для дальнейшей реализации был выбран "Venture Star» — вариант, предложенный фирмой «Lockheed». Как и у «шаттла», взлет здесь осуществляется «по-ракетному», но на собственных двигателях, а посадка — «по-самолетному», но крыльев, большую часть полета висящих мертвым грузом, здесь нет. Их заменяет «несущий фюзеляж».
Сама по себе компоновка не нова, но до сих пор дальше экспериментов дело не шло. Да, «батонообразная» форма и незаостренные передние кромки крыльев позволяют уменьшить тепловые потоки и аэродинамические нагрузки, а значит,— массу конструкции и теплозащиты. Но она же снижает аэродинамическое качество, да и устойчивость таких аппаратов при планировании недостаточна.
Правда, последние годы проблему устойчивости удалось разрешить с помощью автоматической системы управления, а достигнутое продувками и компьютерным моделированием аэродинамическое качество (1,2 — на гиперзвуке; 4,5 — дозвуковое) признано приемлемым для практических целей.
Кроме того, как заявил Гарри Пейтон, курирующий в NASA программу Х-33, сильной стороной данного проекта является намерение «Lockheed» сконструировать для ВКС новый двигатель, в то время как конкуренты предлагали модернизировать те, что стоят на нынешних «шаттлах».
Обосновать свои предложения и выполнить задуманное в сжатые сроки специалисты компании имеют возможность потому, что работы над проектом были начаты еще в 1983 г. Тогда в лабораториях «Lockheed» проводились теоретические исследования по трансатмосферному летательному аппарату. Позднее изготовили уменьшенную на 40% модель круглой секции фюзеляжа с жаростойкими деталями из титана, на которой были проверены некоторые инженерные решения.
Все это позволило в 1992 г. конструктору Дэвиду Ури соединить в одном аппарате аэронесущий корпус, металлическую, а не керамическую теплоизоляцию и новые жидкостные ракетные двигатели с внешним расширением на клине (ЖРД BP).
Дело в том, что обычное «колоколообразное» сопло ЖРД хорошо работает только при определенном внешнем давлении, то есть на определенной высоте. Но одноступенчатый ВКС взлетает при давлении в 1 атм., а потом попадает в космический вакуум. Сопло же с внешним расширением само подстраивается под реальное давление. Двигатель также хорошо компонуется с аэронесущим корпусом, обеспечивая низкое аэродинамическое сопротивление.
Предполагается, что 7-секционный ЖРД BP будет иметь тягу в пределах 13426— 15414 кН при скорости истечения газов 3,47-4,55 км/с. Совсем неплохо.
Правда, отмечают эксперты, ЖРД BP еще нужно создать, испытать, как на земле, так и в полете, что требует больших расходов. Кроме того, всякая новинка является потенциальным носителем риска. Тем не менее ее преимущества должны перевесить недостатки. «Это будет двигатель уже следующего поколения, который, в сочетании с металлической теплозащитой, позволит резко сократить перерывы между полетами, — полагают они. — Ведь ныне на восстановление «шаттла» приходится тратить 17000 человеко-часов перед каждым вылетом...»
В итоге согласно расчетам, должен получиться аппарат, могущий совершать необходимые маневры, имеющий во время приземления с полной нагрузкой скорость захода на посадку 370 км/ч, а скорость касания — 306 км/ч, что примерно на 90 км/ч меньше, чем у нынешних «шаттлов».
Полеты Х-33 с базы ВВС Эдвардс начнутся в марте 1999 г. В первом — планируется достижение скорости ЗМ, во втором — вдвое больше, а в дальнейшем она превысит 15М. Всего проведут не менее 15 испытаний.
Если они подтвердят жизнеспособность концепции «одноступенчатого носителя», то "Lockheed", получив, согласно контракту, 75 млн дол., перейдет ко второй части программы. Как уже говорилось, Х-33 представляет собой уменьшенную копию настоящего ВКСа, не предназначенную для орбитальных полетов. В космос же отправится полномасштабный RLV «Venture Star», стоимость постройки которого оценивается в 4,5-5 млрд дол.
Если все пойдет по плану, он полетит не позднее 2004 г и сможет выводить на низкую околоземную орбиту полезные нагрузки по цене 2200 дол за килограмм, что примерно в 5-10 раз ниже нынешних цен. Именно это директор NASA Дэниэл Голдин считает необходимым условием успешности проекта.
Таковы горизонты зарубежных исследований.
«ЧТО ДЕНЬ ГРЯДУЩИЙ НАМ ГОТОВИТ? — вправе спросить читатель. — Неужто мы намерены отсиживаться у разбитого корыта?..»
Честно сказать, на официальном уровне вразумительного ответа пока не слышно. Руководители Российского космического агентства ныне уповают на низкую стоимость современных российских носителей одноразового типа, полагая, что с их помощью они сумеют конкурировать с зарубежными ракетостроителями на мировом рынке космических услуг. Однако, судя по всему, дешевизна эта временная, обусловленная мизерными зарплатами и низкой стоимостью сырья. Но и то и другое, по идее, должно подняться до мирового уровня.
Так что прозорливо поступают, скажем, японские специалисты, создающие свой вариант многоразового ВКС. Экспериментальный 17-метровый корабль «Норе-Х» будет выводиться ракетой на высоту 100 км, набирая скорость до 7150 м/с. Этого вполне достаточно, чтобы совершить суборбитальный полет, а затем управляемый спуск в плотные слои атмосферы, преодолевая до приземления 8000 км. Посадку «Норе-Х» совершит на обычную ВПП.
Аналогичные работы продолжают по программе «Germes» и французы.
Так что, если мы не хотим безнадежно отстать, нужно уже сегодня разрабатывать нечто принципиально новое. И такие попытки делаются. Во всяком случае, насколько можно судить по выступлениям на «Королевских чтениях», наши специалисты уже примериваются к неракетным транспортным систем, летательным аппаратам, основанным на «новых физических принципах». Но о них, очевидно, разговор особый.