Журнал «Вокруг Света» №06 за 2007 год - Вокруг Света

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

По сравнению с одноразовой ракетой-носителем создание «классической» многоразовой транспортной системы обходится крайне дорого. Сами по себе технические проблемы многоразовых систем решаемы, но стоимость их решения очень велика. Повышение кратности использования требует порой весьма значительного увеличения массы, что ведет к повышению стоимости. Для компенсации роста массы берутся (а зачастую изобретаются с нуля) сверхлегкие и сверхпрочные (и более дорогие) конструкционные и теплозащитные материалы, а также двигатели с уникальными параметрами. А применение многоразовых систем в области малоизученных гиперзвуковых скоростей требует значительных затрат на аэродинамические исследования.

И все же это вовсе не значит, что многоразовые системы в принципе не могут окупаться. Положение меняется при большом количестве пусков. Допустим, стоимость разработки системы составляет 10 миллиардов долларов. Тогда, при 10 полетах (без затрат на межполетное обслуживание), на один запуск будет отнесена стоимость разработки в 1 миллиард долларов, а при тысяче полетов — только 10 миллионов! Однако из-за общего сокращения «космической активности человечества» о таком числе пусков остается только мечтать… Значит, на многоразовых системах можно поставить крест? Тут не все так однозначно.

Во-первых, не исключен рост «космической активности цивилизации». Определенные надежды дает новый рынок космического туризма. Возможно, на первых порах окажутся востребованными корабли малой и средней размерности «комбинированного» типа (многоразовые версии «классических» одноразовых), такие как европейский Hermes или, что нам ближе, российский «Клипер». Они относительно просты, могут выводиться в космос обычными (в том числе, возможно, уже имеющимися) одноразовыми ракетами-носителями. Да, такая схема не сокращает затраты на доставку грузов в космос, но позволяет сократить расходы на миссию в целом (в том числе снять с промышленности бремя серийного производства кораблей). К тому же крылатые аппараты позволяют резко уменьшить перегрузки, действующие на космонавтов при спуске, что является несомненным достоинством.

Во-вторых, что особенно важно для России, применение многоразовых крылатых ступеней позволяет снять ограничения на азимут пуска и сократить затраты на зоны отчуждения, выделяемые под поля падения фрагментов ракет-носителей.

«Клипер», Россия, с 2000 года. Разрабатываемый новый космический корабль с многоразовой кабиной для доставки экипажа и грузов на околоземную орбиту и орбитальную станцию. Вертикальный запуск ракетой «Союз-2», посадка горизонтальная либо 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 двигатели

Наиболее перспективным типом двигательных установок для многоразовых воздушно-космических самолетов с горизонтальным взлетом некоторые специалисты считают гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД), или, как их чаще называют, прямоточные воздушно-реактивные двигатели со сверхзвуковым горением. Схема двигателя крайне проста — у него нет ни компрессора, ни турбины. Поток воздуха сжимается поверхностью аппарата, а также в специальном воздухозаборнике. Как правило, единственной подвижной частью двигателя является насос подачи горючего. Основная особенность ГПВРД в том, что при скоростях полета, в шесть и более раз превышающих скорость звука, поток воздуха не успевает затормозиться во впускном тракте до дозвуковой скорости, и горение должно происходить в сверхзвуковом потоке. А это представляет известные сложности — обычно топливо не успевает сгорать в таких условиях. Долгое время считалось, что единственное горючее, пригодное для ГПВРД — водород. Правда, в последнее время получены обнадеживающие результаты и с горючими типа керосинов. Несмотря на то что гиперзвуковые двигатели исследуются с середины 1950-х годов, до сих пор не изготовлено ни одного полноразмерного летного образца: сложность расчетов газодинамических процессов при гиперзвуковых скоростях требует проведения дорогостоящих натурных летных экспериментов. Кроме того, нужны жаропрочные материалы, стойкие к окислению при больших скоростях, а также оптимизированная система топливоподачи и охлаждения ГПВРД в полете. Существенный недостаток гиперзвуковых двигателей — они не могут работать со старта, аппарат до сверхзвуковых скоростей надо разгонять другими, например, обычными турбореактивными двигателями. И, конечно, ГПВРД работает только в атмосфере, так что для выхода на орбиту понадобится ракетный двигатель. Необходимость ставить несколько двигателей на один аппарат значительно усложняет конструкцию воздушно-космического самолета.

Многогранная многократность

Варианты конструктивной реализации многоразовых систем весьма разнообразны. При их обсуждении не стоит ограничиваться только кораблями, надо сказать и о многоразовых носителях — грузовых многоразовых транспортных космических системах (МТКС). Очевидно, что для снижения стоимости разработки МТКС надо создавать беспилотными и не перегружать их избыточными, как у шаттла, функциями. Это позволит существенно упростить и облегчить конструкцию.

С точки зрения простоты эксплуатации наиболее привлекательны одноступенчатые системы: теоретически они значительно надежнее многоступенчатых, не требуют никаких зон отчуждения (например, проект VentureStar, создававшийся в США по программе RLV в середине 1990-х годов). Но их реализация находится «на грани возможного»: для создания таковых требуется снизить относительную массу конструкции не менее чем на треть по сравнению с современными системами. Впрочем, и двухступенчатые многоразовые системы могут обладать вполне приемлемыми эксплуатационными характеристиками, если использовать крылатые первые ступени, возвращаемые к месту старта по-самолетному.

Вообще МТКС в первом приближении можно классифицировать по способам старта и посадки: горизонтальному и вертикальному. Часто думают, что системы с горизонтальным стартом имеют преимущество, поскольку не требуют сложных пусковых сооружений. Однако современные аэродромы не способны принимать аппараты массой более 600—700 тонн, и это существенно ограничивает возможности систем с горизонтальным стартом. Кроме того, трудно представить себе космическую систему, заправленную сотнями тонн криогенных компонентов топлива, среди гражданских авиалайнеров, взлетающих и садящихся на аэродром по расписанию. А если учесть требования к уровню шума, то становится очевидным, что для носителей с горизонтальным стартом все равно придется строить отдельные высококлассные аэродромы. Так что у горизонтального взлета здесь существенных преимуществ перед вертикальным стартом нет. Зато, взлетая и садясь вертикально, можно отказаться от крыльев, что существенно облегчает и удешевляет конструкцию, но вместе с тем затрудняет точный заход на посадку и ведет к росту перегрузок при спуске.

В качестве двигательных установок МТКС рассматриваются как традиционные жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), так и различные варианты и комбинации воздушно-реактивных (ВРД). Среди последних есть турбопрямоточные, которые могут разгонять аппарат «с места» до скорости, соответствующей 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 функционировать во всем диапазоне скоростей полета — от нулевых до орбитальных.

Воздушно-реактивные двигатели на порядок экономичнее ракетных (из-за отсутствия окислителя на борту аппарата), но при этом имеют и на порядок большую удельную массу, а также весьма серьезные ограничения на скорость и высоту полета. Для рационального использования ВРД требуется совершать полет при больших скоростных напорах, защищая при этом конструкцию от аэродинамических нагрузок и перегрева. То есть, экономя топливо — самую дешевую компоненту системы, — ВРД увеличивают массу конструкции, которая обходится гораздо дороже. Тем не менее ВРД, вероятно, найдут применение в относительно небольших многоразовых аппаратах горизонтального старта.