Многоразовые космические системы

Современный уровень развития науки и техники, имеющийся задел в разработке элементной базы многоразовых космических систем (МКС) и созданная к настоящему времени экспериментальная база, а также существующая технология производства в ракетно-космической и авиационной отраслях промышленности позволяют уже в ближайшем будущем рассматривать вопросы, связанные с проектированием и разработкой перспективных МКС.

В настоящее время достаточно четко сформировались три основных направления развития МКС:

1. ракетно-космические системы, реализующие ракетный принцип выведения орбитальной крылатой ступени;
2. авиационно-космические системы, использующие в качестве разгонной ступени тяжелые дозвуковые транспортные самолеты;
3. воздушно-космические системы с горизонтальным стартом, включающие воздушно-космический самолет с комбинированной двигательной установкой на базе различных вариантов воздушно-реактивных и ракетных двигателей.

Предельные энергетические возможности МКС, их размерность, наличие возможности маневрирования при выведении и спуске с орбиты определяются конструктивно-компоновочными схемами. В рамках каждого из указанных направлений в настоящее время исследуются и прорабатываются различные варианты МКС и проводится оценка возможностей их целевого применения. Наиболее проработанным из указанных направлений и доведенным до практического создания МКС является первое направление. В конце 1980-х гг. была создана многоразовая космическая система «Энергия» — «Буран».

МКС «Энергия» — «Буран» (головной разработчик — НПО «Энергия») аналогична по возможностям и характеристикам американскому проекту Space Shuttle. Она включала в себя ракету-носитель тяжелого класса «Энергия» массой 2270 т и орбитальный корабль (ОК) «Буран» «сухой» массой -70 т. ОК «Буран» был способен вывести на низкую орбиту высотой 200 км полезный груз массой до 30 т, а возвратить с орбиты груз до 20 т. мог совершить до 100 полетов, а первую ступень РН «Энергия» планировалось использовать до 10 раз. Орбитальный корабль «Буран» свой первый и, к сожалению, единственный полет совершил 15 ноября 1988 г. в беспилотном варианте. После двух витков на орбите корабль совершил посадку на Землю в автоматическом режиме.

В дальнейшем произошедший развал Советского Союза и тяжелое экономическое положение России не позволили финансировать программу «Энергия» — «Буран» в необходимых объемах, что привело к постепенному ее закрытию.

Несмотря на то что при создании орбитального корабля «Буран» для ускорения работ (наша программа отставала от американской на семь лет) за опорные параметры брались характеристики американского аналога, основные конструктивно-технологические решения, принятые на «Буране», можно считать отечественными ноу-хау, которые нашли свое применение и в других отраслях промышленности. А автоматическая посадка орбитального корабля на Землю до сих пор так и не освоена американцами. Работы в рамках других направлений создания многоразовых космических систем находятся на различных стадиях проектных проработок.

Авиационно-космический комплекс «Бурлак» предназначен для коммерческих запусков малогабаритных КА на низкие околоземные орбиты. Головной разработчик комплекса — МКБ «Радуга».

В состав комплекса «Бурлак» входят:

• жидкостная двухступенчатая ракета космического назначения (РКН) «Бурлак»;
• два самолета-носителя Ту-160СК, оснащенных специальной пусковой установкой и аппаратурой подготовки и пуска;
• два самолетных командно-измерительных пункта на базе самолета Ил-76СК;
• комплекс средств наземного обслуживания;
• система автоматизированной подготовки полетных заданий для ракет и самолетов-носителей.

Энергетические возможности комплекса позволяют выводить на низкие экваториальные орбиты полезный груз массой до 1100 кг. При этом дальность полета самолета-носителя в зону пуска РКН составляет 5000 км. 19 января 2000 г. в Самаре ГНПКРЦ «ЦСКБ-Прогресс» и Аэрокосмическая корпорация «Воздушный старт» подписали соглашение о сотрудничестве по созданию авиационно-ракетного комплекса кос-мического назначения (АРККН) «Воздушный старт».

Основная идея проекта — использование тяжелого транспортного самолета АН-124-100 «Руслан» в качестве стартовой платформы для ракеты-носителя легкого класса «Полет». Самолет-носитель, оснащенный системами, обеспечивающими загрузку РН с полезным грузом в транспортно-пусковом контейнере в грузовую кабину, контроль и управление комплексом в полете, выполняет сброс РН в районе запуска, навигационные и телеметрические измерения параметров полета ракеты и передачу информации в центр управления.

В состав АРККН «Воздушный старт» входят:

• самолет-носитель Ан-124-100 «Руслан»;
• ракета-носитель «Полет»;
• наземный комплекс подготовки и пуска;
• комплекс автоматизированных систем управления подготовкой, пуском и полетом.

Десантирование РН «Полет» на высоте 8-11 км при скорости полета самолета-носителя 600…650 км/ч осуществляется из грузовой кабины таким образом, чтобы обеспечить выход ракеты со скоростью 20 м/с (относительно самолета) и ее отставание на безопасное расстояние до запуска двигателя первой ступени. РН «Полет» выполнена по двухступенчатой схеме с последовательным расположением ступеней. В качестве маршевых решено использовать имеющиеся в наличии ЖРД, работающие на компонентах жидкий кислород и керосин: на первой ступени — НК-43, созданный СНТК им. Н.Д. Кузнецова, на второй — модификацию ЖРД 11Д58М,используемую на разгонном блоке «ДМ» РН «Протон». Ориентация АРККН на эти двигатели определялась высокой степенью их готовности и планами развития производства ОАО «Моторостроитель» (г. Самара) и ФГУП «Воронежский механический завод» для обеспечения перспективных программ. Стартовая масса РН «Полет» — 100 т. АРККН «Воздушный старт» позволяет доставлять на низкую полярную орбиту полезный груз массой до 3 т.

АРККН «Воздушный старт» может осуществлять старт практически из любой точки земного шара, где есть взлетно-посадочная полоса длиной не менее 3 км. Возможность установить спутник на ракету-носитель непосредственно на территории заказчика позволяет решить проблему ограничений на экспорт космических технологий. Самолет-носитель «Руслан» фактически является возвращаемой и многократно используемой первой ступенью системы выведения спутников на околоземные орбиты. Его применение позволяет снизить удельную стоимость выведения полезного груза (примерно на 30% по сравнению со стоимостью выведения существующими ракетами-носителями).

АРККН «Воздушный старт» характеризуется высокой надежностью (не ниже 0,99), экологической безопасностью (нетоксичные компоненты топлива), малыми сроками создания, что обусловлено широким использованием в конструкции готовых компонентов и систем. Наиболее серьезными проблемами в настоящее время представляются десантирование крупногабаритного длинномерного груза (ракеты-носителя) и запуск маршевого ЖРД в условиях, близких к невесомости. Обе задачи могут быть успешно решены с использованием опыта создания отечественных тяжелых МБР, стартующих из шахт.

Уже много лет НПО «Молния» работает над проектом многоцелевой авиационно-космической системы (МАКС), состоящей из самолета-носителя Ан-225 «Мрия» (первая ступень) и двухместного орбитального самолета со сбрасываемым топливным баком.

Орбитальный самолет может использоваться в беспилотном ва-рианте или заменяться одноразовой ракетной ступенью, что обеспечивает системе большую гибкость применения. На орбитальном самолете используются два маршевых двигателя, работающих на трехкомпонентном топливе и способных выдержать до 10 полетов. Сам же самолет рассчитан на 100 запусков. На начальном участке выведения двигатели работают на керосине и жидких водороде и кислороде, затем — на водороде и кислороде. Высокое аэродинамическое качество орбитального самолета обеспечивает достижение им при сходе с орбиты боковой дальности до 2000 км, что дает возможность использовать для посадки множество аэродромов на территории России. Для старта МАКС пригоден любой аэродром первого класса, оснащенный оборудованием для межполетного обслуживания и заправки горючим орбитальной ступени.

В качестве одной из перспективных концепций ближайшего будущего рассматривалась концепция многоразового космического ракетоплана (МКР). МКР представляет собой летательный аппарат с вертикальным стартом и горизонтальной посадкой для выведения на орбиту полезных грузов легкого и среднего классов. Весь полет МКР осуществляет с помощью обычных ЖРД. Исследования показали,что проектирование ракетоплана рационально в том случае, если он обеспечит снижение удельной стоимости выведения полезного груза в 5…7 раз по сравнению с традиционными одноразовыми РН при пятикратном увеличении надежности выполнения задания, будет соответствовать требованиям экологической безопасности и повышения эксплуатационной технологичности. Современный научно-технический задел пока не позволяет создать подобный МКР, в связи с чем предпочтение в настоящее время отдается частично многоразовым всеазимутальным РН.

Для более отдаленного будущего перспективными станут проек-ты многоразовых одноступенчатых носителей (МОН) и воздушно-космических самолетов (ВКС). Исследования показали, что преимущества одноступенчатого аппарата с ЖРД перед двухступенчатым по затратам на разработку и удельной стоимости выведения наступают при снижении «сухой» массы аппарата примерно на 30% по сравнению с системами типа Space Shuttle или «Энергия» — «Буран»,что пока нереально. Хотя некоторые отечественные фирмы уже сейчас выходят с проектами МОН. Так, например, КБ «Салют» разработало предложения по носителю с вертикальным стартом и горизонтальной посадкой, подобному американскому проекту Venture Star. ГРЦ «КБ им. В.П. Макеева» в инициативном порядке разработал проект легкой одноступенчатой ракеты «Корона» с вертикальными стартом и посадкой, аналогичной американскому летательному аппарату Delta Clipper, программа работ по которому была недавно закрыта. Однако для обоих отечественных проектов не проработано экономическое обоснова-ние и не ясны источники финансирования.

Более рациональной в настоящее время представляется концепция крылатого ВКС с горизонтальными взлетом и посадкой, двигательная установка которого использует атмосферный воздух. С начала космической эры идея использования воздуха не давала по-коя разработчикам, однако она не столь проста и однозначна, как казалось с первого взгляда.

Особенно трудным является вопрос, связанный с двигательной установкой (ДУ). Для каждого этапа полета (взлет, разгон, набор скорости и высоты, фаза выхода на орбиту) необходим оптимально работающий двигатель, но требования к такой ДУ зачастую вступают в противоречие с общей концепцией аппарата. Именно нерешенность вопроса разработки многорежимной воздушно-реактивной ДУ в сочетании с необходимостью значительного финансирования не позволили в 1970-х гг. создать отечественную авиационно-космическую систему «Спираль», в 1980-х гг. реализовать ан-глийскую концепцию HOTOL, а в начале 1990-х гг. по этой же причине США отказались от высокотехнологичного аппарата NASP. В конце концов все разработки сводились к банальному скрещиванию ракеты с самолетом, как это сделано в системах Space Shuttle и «Энергия» — «Буран». Реально создание ВКС экономически обоснованно только тогда, когда на свет появятся новые конструкционные материалы и будут разработаны многорежимные воздушно-реактивные ДУ. Создание подобных систем исключительно на коммерческой основе представляется невозможным.

Современные турбореактивные двигатели, освоенные авиацией, обеспечивают полеты при числах М чуть более 3, чего, конечно, недостаточно для разгона ВКС до оптимальных скоростей. Одним из наиболее перспективных путей представляется создание гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ГПВРД). Россия является единственной страной, осуществившей летные эксперименты с ГПВРД. Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ) им. П.И. Баранова в 1990-х гг. подготовил и провел летные испытания экспериментального ГПВРД на гиперзвуковой летающей лаборатории. Исследования иностранных специалистов (США, Франции, Германии, Великобритании) в этой области не пошли дальше продувок миниатюрных моделей в гиперзвуковых аэродинамических трубах и моделирования на ЭВМ.

Из отечественных проектов ВКС наиболее известны разработки по темам Ту-2000 АНТК им. А.Н. Туполева и «Нева»/»Аякс» холдинговой компании «Ленинец» (г. Санкт-Петербург). Ту-2000 представляет собой летательный аппарат, выполненный по схеме «бесхвостка» с треугольным крылом, имеющим наплыв по передней кромке. Он должен быть снабжен прямоточными воздушно-реактивными двигателями, работающими на жидком водороде. Размах крыла этого самолета составит 14 м, длина самолета — 55…60 м,максимальная взлетная масса — 70-90 т.

Достигнуть намеченных результатов по этому проекту можно при создании научного и технологического заделов в области перспективных конструкционных материалов, широкодиапазонных ГПВРД, а также освоении технологии производства и хранения переохлажденного (шугообразного) водорода. В 1995 г. затраты на необходимые ОКР оценивались в практически нереальную для нашей экономики сумму — 5,3 млрд дол. даже при относительно небольшой объявленной цене запуска — 13,6 млн. дол. (при темпе 20 пусков в год). По результатам исследований был сделан вывод,что сроки реализации предложений по Ту-2000 даже в рамках стабильной экономики не могут быть достоверно определены из-за слишком высоких заявленных характеристик.

Специалисты считают, что необходимо продолжать летные эксперименты, переходя к увеличению скорости и потолка гиперзвуковой летающей лаборатории. С этой целью специалистами ЦИАМ совместно с ЛИИ им. М.М. Громова был разработан исследовательский гиперзвуковой летательный аппарат (ИГЛА), имитирующий компоновку, очертания и режимы полета перспективных ВКС. С использованием ИГЛА предстоит провести большое число экспериментов в интересах создания надежного, скоростного, экологически безопасного ГПВРД.

Еще более экзотическим является проект ВКС «Аякс». Это весьма смелый проект открытой аэротермодинамической системы, преобразующей в работу энергию гиперзвукового набегающего потока. Авторы концепции предлагают пересмотреть многие аспекты разработки ВКС будущего. В общих чертах обмен энергии происходит следующим образом: углеводородное горючее (керосин), проходя через каналы в наиболее горячих областях ЛА (носовая часть фюзеляжа, передние кромки крыла и камера сгорания двигателя), нагревается и с помощью катализаторов разлагается на водород и углеводороды с меньшей молекулярной массой. Водород используется в магнитогидродинамическом преобразователе (МГД-генераторе) для выработки электроэнергии, идущей на регулирование потока воздуха во входном контуре ГПВРД со сверхзвуковым горением, в котором сжигаются углеводороды. Отношение тяги к массе такого двигателя может многократно превышать этот параметр обычных ВРД, а получаемая электроэнергия идет также в плазменную систему управления подъемной силой и сопротивлением ВКС.

Для создания «Аякса» необходимо реализовать следующие технологии:

• активную теплозащиту гиперзвукового ЛА на базе химической регенерации тепла;
• магнитоплазмохимический двигатель (МПХД);
• устройство для плазменного управления аэродинамическими параметрами потока.

В основе главной ДУ «Аякса» (ПВРД, работающего в диапазоне чисел М от 6 до 16) лежит концепция магнитоплазмохимического двигателя. Его цикл включает МГД-контур преобразования энергии, позволяющий управлять параметрами входного потока и его профилем в большом диапазоне скоростей при фиксированной геометрии воздухозаборника. Электроэнергия МГД-генератора используется для создания пучков плазмы, уменьшающих аэродинамическое сопротивление ВКС, увеличивающих проводимость потока в МПХД, а также увеличивает тягу двигателя в МГД-ускорителе, стоящем позади камеры сгорания. С помощью пучков плазмы,подаваемых в различные зоны набегающего потока, можно будет управлять аэродинамическими параметрами «Аякса», увеличивая его аэродинамическое качество до 5 и выше. Это необходимо для экономичного крейсерского полета и разгона до орбитальной скорости. В лабораторных условиях уже проведены эксперименты по плазменному воздействию на поток воздуха.

По мнению создателей, «Аякс» отличается мобильностью и эффективностью (не содержит на борту криогенных жидкостей — кислорода и водорода), может длительное время лететь в атмосфере с гиперзвуковой скоростью, одновременно вырабатывая большие потоки энергии (порядка десятков мегаватт). Для базирования ВКС предполагается использовать существующую инфраструктуру — аэропорты, космодромы и наземные пункты управления. При сравнительно малых затратах он сможет выходить на орбиты с различными параметрами, осуществлять широкие маневры в атмосфере. В то же время, по мнению многих экспертов, концепция «Аякса» представляется спорной, так как ни одно из технических решений, требуемых для его создания, не получило общепризнанного подтверждения.