Космические корабли

Космическиекорабли

авиациякосмодром космический корабль

100 лет назад отцы —основатели космонавтики вряд ли могли себе представить, что космические кораблибудут выбрасывать на свалку после одного-единственного полета. Неудивительно,что первые проекты кораблей виделись многоразовыми и зачастую крылатыми. Долгоевремя — до самого начала пилотируемых полетов — они конкурировали на чертежныхдосках конструкторов с одноразовыми «Востоками» и «Меркуриями». Увы,большинство многоразовых кораблей так и остались проектами, а единственнаясистема многократного применения, принятая в эксплуатацию (Space Shuttle),оказалась страшно дорогой и далеко не самой надежной. Почему так получилось?

Ракетостроение имеет всвоей основе два источника — авиацию и артиллерию. Авиационное начало требоваломногоразовости и крылатости, тогда как артиллерийское было склонно кодноразовому применению «ракетного снаряда». Боевые ракеты, из которых вырослапрактическая космонавтика, были, естественно, одноразовыми. Когда дело дошло допрактики, конструкторы столкнулись с целым комплексом проблем высокоскоростногополета, в числе которых — чрезвычайно высокие механические и тепловые нагрузки.Путем теоретических исследований, а также проб и ошибок инженеры смоглиподобрать оптимальную форму боевой части и эффективные теплозащитные материалы.И когда на повестку дня встал вопрос о разработке реальных космическихкораблей, проектанты оказались перед выбором концепции: строить космический«самолет» или аппарат капсульного типа, похожий на головную частьмежконтинентальной баллистической ракеты? Поскольку космическая гонка шла вбешеном темпе, было выбрано наиболее простое решение — ведь в вопросахаэродинамики и конструкции капсула куда проще самолета.

Быстро выяснилось, чтона техническом уровне тех лет сделать капсульный корабль многоразовым практическинереально. Баллистическая капсула входит в атмосферу с огромной скоростью, а ееповерхность может нагреваться до 2 500—3 000 градусов. Космический самолет,обладающий достаточно высоким аэродинамическим качеством, при спуске с орбитыиспытывает почти вдвое меньшие температуры (1 300—1 600 градусов), номатериалы, пригодные для его теплозащиты, в 1950—1960-е годы еще не былисозданы. Единственной действенной теплозащитой была тогда заведомо одноразоваяабляционная обмазка: вещество покрытия оплавлялось и испарялось с поверхностикапсулы потоком набегающего газа, поглощая и унося при этом тепло, которое впротивном случае вызвало бы недопустимый нагрев спускаемого аппарата. Попыткиразместить в единой капсуле все системы — двигательную установку с топливнымибаками, системы управления, жизнеобеспечения и энергопитания — вели к быстромуросту массы аппарата: чем больше размеры капсулы, тем больше массатеплозащитного покрытия (в качестве которой использовались, например,стеклотекстолиты, пропитанные фенольными смолами с довольно большойплотностью). Однако грузоподъемность тогдашних ракет-носителей былаограниченна. Решение было найдено в делении корабля на функциональные отсеки.«Сердце» системы обеспечения жизнедеятельности космонавта размещалось вотносительно небольшой кабине-капсуле с тепловой защитой, а блоки остальныхсистем были вынесены в одноразовые отделяемые отсеки, естественно, не имевшиеникакого теплозащитного покрытия. К такому решению конструкторов, какпредставляется, подталкивал и небольшой ресурс основных систем космическойтехники. Например, жидкостный ракетный двигатель «живет» несколько сотенсекунд, а чтобы довести его ресурс до нескольких часов, нужно приложить оченьбольшие усилия.

И все же идеямногоразовости ракетно-космической техники оказалась живучей. К концу 1960-хгодов в США и несколько позднее в СССР и Европе был накоплен изрядный задел вобласти гиперзвуковой аэродинамики, новых конструкционных и теплозащитныхматериалов. А теоретические исследования подкрепились экспериментами, н томчисле полётами опытных летательных аппаратов, самым известным из которых быламериканский Х-15. В 1969 году NASA заключило первые контракты саэрокосмическими компаниями США на исследование облика перспективноймногоразовой транспортной космической системы Space Shuttle (англ. -«космический челнок»). По прогнозам того времени, к началу 1980-х годовгрузопоток "Земля-орбита-Земля" должен был составить до 800 тонн вгод, и шаттлам предстояло ежегодно совершать 50-60 полетов, доставляя на околоземнуюорбиту космические аппараты различного назначения, а также экипажи и грузы дляорбитальных станций. Ожидалось, что стоимость выведения грузов на орбиту непревысит 1 000 долларов за килограмм. При этом от космического челнокатребовалось умение возвращать с орбиты достаточно большие нагрузки, напримердорогие многотонные спутники для ремонта на Земле. Надо отметить, что задачавозврата грузов с орбиты в некоторых отношениях сложнее вывода их н космос.Например, на кораблях «Союз» космонавты, возвращаясь с Международнойкосмической станции, могут взять менее сотни килограммов багажа.

В мае 1970 года, послеанализа полученных предложений, NASA выбрало систему с двумя крылатымиступенями и выдало контракты на дальнейшую проработку проекта фирмам NorthAmerican Rockwell и McDonnel Douglas. При стартовой массе около 1 500 тонн онадолжна 6ыла выводить на низкую орбиту от 9 до 20 тонн полезного груза. Обеступени предполагалось оснащать связками кислородно-водородных двигателей тягойпо 180 тонн каждый. Однако в январе 1971 года требования были пересмотрены -выводимая масса выросла до 29,5 тонны, а стартовая - до 2 265 тонн. Порасчетам, пуск системы стоил не более 5 миллионов долларов, но вот разработкаоценивалась в 10 миллиардов долларов - больше, чем был готов выделить конгрессСША (не будем забывать, что США вели в то время войну в Индокитае). Перед NASAи фирмами-разработчиками встала задача - снизить стоимость проекта по крайнеймере вдвое. В рамках полностыо многоразовой концепции этого добиться неудалось: слишком сложно было разработать теплозащиту ступеней с объемистымикриогенными баками. Возникла идея сделать баки внешними, одноразовыми. Затемотказались и от крылатой первой ступени в пользу повторно используемыхстартовых твердотопливных ускорителей. Конфигурация системы приобрела знакомыйвсем вид, а ее стоимость, около 5 миллиардов долларов, укладывалась в заданныепределы. Правда, затраты на запуск при этом выросли до 12 миллионов долларов,но это считалось вполне приемлемым. Как горько пошутил один из разработчиков,«челнок спроектировали бухгалтеры, а не инженеры».

Полномасштабнаяразработка Space Shuttle, порученная фирме North American Rockwell (позднееRockwell International), началась в 1972 году. К моменту ввода системы вэксплуатацию (а первый полет «Колумбии» состоялся 12 апреля 1981 года - ровночерез 20 лет после Гагарина) это был во всех отношениях технологический шедевр.Вот только затраты на его разработку превысили 12 миллиардов долларов. Насегодня стоимость одного пуска достигает и вовсе фантастических 500 миллионовдолларов! Как же так? Ведь многоразовое в принципе должно быть дешевлеодноразового (по крайней мере, в пересчете на один полет)? Во-первых, неоправдались прогнозы по объемам грузопотока - он оказался на порядок меньшеожидавшегося. Во-вторых, компромисс между инженерами и финансистами не пошел напользу эффективности челнока: стоимость ремонтно-восстановительных работ дляряда агрегатов и систем достигла половины стоимости их производства! Особеннодорого обходилось обслуживание уникальной керамической теплозащиты. Наконец,отказ от крьлатой первой ступени привел к тому, что для повторногоиспользования твердотолливных ускорителей пришлось организовывать дорогостоящиепоисково-спасательные операции.

Кроме того, шаттл могработать только в пилотируемом режиме, что существенно удорожало каждую миссию.Кабина с астронавтами не отделяется от корабля, из-за чего на некоторыхучастках полета любая серьезная авария чревата катастрофой с гибелью экипажа ипотерей челнока. Это случилось уже дважды - с «Челленджером» (28 января 1986года) и «Колумбией» (1 февраля 2003 года). Последняя катастрофа изменилаотношение к программе Space Shuttle: после 2010 года «челноки» будут выведеныиз эксплуатации. На смену им придут «Орионы», внешне весьма напоминающие своегодедушку - корабль "Аполлон" - и обладающие многоразовой спасаемойкапсулой экипажа.

Челноки новогопоколения

С момента началареализации программы Space Shuttle в мире неоднократно предпринимались попыткисоздания новых многоразовых кораблей. Проект "Гермес" началиразрабатывать во Франции в конце 1970-х годов, а потом продолжили в рамкахЕвропейского космического агентства. Этот небольшой космический самолет, сильнонапоминавший проект DynaSoar (и разрабатываемый в России "Клипер"),должен был выводиться на орбиту одноразовой ракетой «Ариан-5», доставляя корбитальной станции несколько человек экипажа и до трех тонн грузов. Несмотряна достаточно консервативную конструкцию, «Гермес» оказался Европе не по силам.В 1994 году проект, на который израсходовали около 2 миллиардов долларов, былзакрыт. Куда более фантастично выглядел проект беспилотноговоздушно-космического самолета с горизонтальным взлетом и посадкой HOTOL(Horizontal Take-Off and Landing), предложенный в 1984 году фирмой BritishAerospace. По замыслу, этот одноступенчатый крылатый апnарат предполагалосьоснастить уникальной двигательной установкой, сжижающей в полете кислород извоздуха и использующей его в качестве окислителя. Горючим служил водород.

Финансирование работ состороны государства (три миллиона фунтов стерлингов) через три годапрекратилось из-за необходимости огромных затрат на демонстрацию концепциинеобычного двигателя. Промежуточное положение между "революционным"HOTOL и консервативным "Гермесом" занимает проектвоздушно-космической системы "Зенгер" (Sanger), разработанный всередине 1980-х годов в ФРГ. Первой ступенью в нем служил гиперзвуковойсамолет-разгонщик с комбинированными турбопрямоточными двигателями. Последостижения 4-5 скоростей звука с его спины стартовали либо пилотируемыйвоздушно-космический самолет "Хорус", либо одноразовая грузоваяступень «Каргус». Однако и этот проект не вышел из "бумажной" стадии,в основном по финансовым причинам. Американский проект NASP был представлен президентомРейганом в 1986 году как национальная програма а воздушно-космическогосамолета. Этот одноступенчатый аппарат, который в прессе часто называли"Восточным экспрессом", имел фантастические летные характеристики. Ихобеспечивали прямоточные воздушно-реактивные двигатели со сверхзвуковымгорением, которые, по утверждениям специалистов, могли работать при числах Махаот 6 до 25. Однако проект столкнулся с техническими проблемам и, и в начале1990-х годов его закрыли.

Советский «Буран»подавался в отечественной (да и в зарубежной) печати как безусловный успех.Однако, совершив единственный 6ecпилотный полет 15 ноября 1988 года, этоткорабль канул в Лету. Справедливости ради надо сказать, что «Буран» оказался неменее совершенен, чем Space Shuttle. А в отношении безопасности иуниверсальности применения даже превосходил заокеанского конкурента. В отличиеот американцев советские специалисты не питали иллюзий по поводу экономичностимногоразовой системы - расчеты показывали, что одноразовая ракета эффективнее.Но при создании "Бурана" основным был иной аспект - советский челнокразрабатывался как военно-космическая система. С окончанием «холодной войны»этот аспект отошел на второй план, чего не скажешь про экономическуюцелесообразность. А с ней у «Бурана» было плохо: его пуск обходился, какодновременный старт пары сотен носителей «Союз». Судьба «Бурана» была решена.

Несмотря на то чтоновые программы разработки многоразовых кораблей появляются как грибы последождя, до сих пор ни одна из них не принесла успеха. Ничем окончилисьупомянутые выше проекты Hermes (Франция, ЕКА), HOTOL (Великобритания) и Saпger(ФРГ). "Завис" между эпохами МАКС - советско-российская многоразоваяавиационно-космическая система. Потерпели неудачу и программы NASP (Национальныйаэрокосмический самолет) и RLV (Многоразовая paкета-носитель) - очередныепопытки США создать МТКС второго поколения на замену Space Shuttle. В чем жепричина такого незавидного постоянства. По сравнению с одноразовойракетой-носителем создание «классической» многоразовой транспортной системыобходится крайне дорого. Сами по себе технические проблемы многоразовых системрешаемы, но стоимость их решения очень велика. Повышение кратностииспользования требует порой весьма значительного увеличения массы, что ведет кповышению стоимости. Для компенсации роста массы берутся (а зачастуюизобретаются с нуля) сверхлегкие и сверхпрочные (и более дорогие)конструкционные и теплозащитные материалы, а также двигатели с уникальнымипараметрами. А применение многоразовых систем в области малоизученныхгиперзвуковых скоростей требует значительных затрат на аэродинамическиеисследования.

И все же это вовсе незначит, что многоразовые системы в принципе не могут окупаться. Положениеменяется при большом количестве пусков. Допустим, стоимость разработки системысоставляет 10 миллиардов долларов. Тогда, при 10 полетах (без затрат намежполетное обслуживание), на один запуск будет отнесена стоимость разработки в1 миллиард долларов, а при тысяче полетов - только 70 миллионов! Однако из-заобщего сокращения «космической активности человечества» о таком числе пусковостается только мечтать... Значит, на многоразовых системах можно поставитькрест? Тут не все так однозначно. Во-первых, не исключен рост «космическойактивности цивилизации». Определенные надежды дает новый рынок космическоготуризма. Возможно, на первых порах окажутся востребованными корабли малой исредней размерности «комбинированного» типа (многоразовые версии"классических» одноразовых", такие как европейский Hermes или, чтонам ближе, российский «Клипер». Они относительно просты, могут выводиться вкосмос обычными (в том числе, возможно, уже имеющимися) одноразовымиракетами-носителями. Да, такая схема не сокращает затраты на доставку грузов вкосмос, но позволяет сократить расходы на миссию в целом (в том числе снять спромышленности бремя серийного производства кораблей). К тому же крылатыеаппараты позволяют резко уменьшить перегрузки, действующие на космонавтов приспуске, что является несомненным достоинством. Во-вторых, что особенно важнодля России, применение многоразовых крылатых ступеней позволяет снятьограничения на азимут пуска и сократить затраты на зоны отчуждения, выделяемыепод поля падения фрагментов ракет-носителей.

Варианты конструктивнойреализации многоразовых систем весьма разнообразны. При их обсуждении не стоитограничиваться только кораблями, надо сказать и о многоразовых носителях -грузовых многоразовых транспортных космических системах (МТКС). Очевидно, чтодля снижения стоимости разработки МТКС надо создавать беспилотными и неперегружать их избыточными, как у шаттла, функциями. Это позволит существенноупростить и облегчить конструкцию. С точки зрения простоты эксплуатациинаиболее привлекательны одноступенчатые системы: теоретически они значительнонадежнее ыногоступенчатык, не требуют никаких зон отчуждения (например, проектVentureStar, создававшийся в США по программе RLV в середине 1990-х годов). Ноих реализация находится «на грани возможного»: для создания таковых требуетсяснизить относительную массу конструкции не менее чем на треть по сравнению ссовременными системами. Впрочем, и двухступенчатые многоразовые системы могутобладать вполне приемлемым и эксплуатационными характеристиками, еслииспользовать крылатые первые ступени, возвращаемые к месту стартапо-самолетному.

Вообще МТКС в первомприближении можно классифицировать по способам старта и посадки: горизонтальномуи вертикальному. Часто думают, что системы с горизонтальных стартом имеют преимущество,поскольку не требуют сложных пусковых сооружений. Однако современные аэродромыне способны принимать аппараты массой более 600-700 тонн, и это существенноограничивает возможности систем с горизонтальным стартом. Кроме того, труднопредставить себе космическую систему, заправленную сотнями тонн криогенныхкомпонентов топлива, среди гражданских авиалайнеров, взлетающих и садящихся нааэродром по расписанию. А если учесть требования к уровню шума, то становитсяочевидным, что для носителей с горизонтальным стартом все равно придется строитьотдельные высококлассные аэродромы. Так что у горизонтального взлета здесьсущественных преимуществ перед вертикальным стартом нет. Зато, взлетая и садясьвертикально, можно отказаться от крыльев, что существенно облегчает иудешевляет конструкцию, но вместе с тем затрудняет точный заход на посадку нведет к росту перегрузок при спуске.

В качестве двигательныхустановок МТКС рассматриваются как традиционные жидкостные ракетные двигатели(ЖРД), так и различные варианты и комбинации воздушно-реактивных (ВРД). Средипоследних есть турбопрямоточные, которые могут разгонять аппарат «с места» доскорости, 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 доМ=15, а по оптимистичным оценкам американских ученых, даже до М=24) иракетно-прямоточные, способные функционировать во всем диапазоне скоростейполета - от нулевых до орбитальных. Воздушно-реактивные двигатели на порядокэкономичнее ракетных (из-за отсутствия окислителя на борту аппарата), но приэтом имеют и на порядок большую удельную массу, а также весьма серьезныеограничения на скорость и высоту полета. Для рационального использования ВРДтребуется совершать полет при больших скоростных напорах, защищая при этомконструкцию 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 применениев относительно небольших многоразовых аппаратах горизонтального старта.

Наиболее реалистичными,то есть простыми и относительно дешёвыми в разработке, пожалуй, являются двавида систем. Первый - типа уже упомянутого «Клипера», в которых принципиальноновым оказался только пилотируемый крылатый многоразовый аппарат (или большаяего часть). Небольшие размеры хоть и создают определенные трудности в частитеплозащиты, зато уменьшают затраты на разработку. Технические проблемы длятаких аппаратов практически решены. Так что «Клипер» - это шаг в правильномнаправлении. Второй - системы вертикального пуска с двумя крылатыми ракетнымиступенями, которые могут самостоятельно вернуться к месту старта. Особыхтехнических проблемы при их создании не ожидается, да и подходящий стартовыйкомплекс можно, наверное, подобрать из числа уже построенных. Подводя итог,можно полагать, что будущее многоразовых космических систем безоблачным небудет. Им придется отстаивать право на существование в суровой борьбе спримитивными, но надежными идешевыми одноразовыми ракетами.