МНОГОРАЗОВЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ КОРАБЛИ

Многопрофильная инженерная олимпиада «Будущее России»
Авиационная и ракетная техника
МНОГОРАЗОВЫЕ
КОСМИЧЕСКИЕ
КОРАБЛИ
Выполнил:
ученик МБОУ ЛАП №135
8 Б класса
Курилов Николай
Научный руководитель:
Самсонова Н.Ю.
г. Самара
2015 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
3
Космические корабли многоразового использования
4
1.1.
Виды космических кораблей многоразового использования
4
1.2.
Как и зачем создавались многоразовые космические корабли
5
1.3.
Развитие космической техники
6
1.4.
Предыстория многоразовых систем
7
1.5.
Создание Шаттла
7
1.6.
Челноки нового поколения в мире
8
Сравнение МТКК Спейс Шаттл и Буран
10
2.1.
Космический челнок «Спейс Шаттл»
11
2.2.
Многоразовый космический корабль «Буран»
15
Анализ проектов многоразовых систем
19
3.1.
Основные причины неудач проектов многоразовых систем
19
3.2.
Перспективы развития многоразовых систем
19
Будущее космических полетов
22
4.1.
Новые космические корабли США
22
4.2.
Российские разработки
26
4.3.
Перспективы разработки многоразовой ракеты
28
Заключение
33
Список источников
34
Приложение 1. Спейс Шаттл Технические характеристики
35
Приложение 2. Основные характеристики МКС «Энергия-Буран»
36
Приложение 3. Чертежи и схемы
38
1.
2.
3.
4
2
Введение
Многоразовый космический корабль (многоразовый транспортный космический
корабль, МТКК) — космический корабль, конструкция которого предусматривает
повторное использование всего корабля или его основных частей после возвращения
из космического полёта. Иногда применяется название «космический корабль
многоразового использования».
В
настоящее
время
только
два государства обладают
практическим
опытом
создания и эксплуатации данного типа космических
аппаратов: США и Россия.
В США была построена целая серия больших
пилотируемых космических кораблей многоразового
использования «Спейс шаттл», беспилотный X-37, а
также проектировались меньшие X-20 Dyna Soar,
NASP, VentureStar, в СССР и России — большой
корабль «Буран» и проектировались меньшие:
«Спираль», ЛКС, «Заря», МАКС, «Клипер».
Космическая программа по использованию МТКК
«Буран» в СССР/России была свёрнута в связи с невозможностью дорогостоящей
эксплуатации аппаратов данного типа в сложившихся экономических условиях. В США
челноки интенсивно использовались (несмотря на катастрофы «Челленджера» в 1986
году и «Колумбии» в 2003 году, которые сильно подорвали планы развития
использования МТКК), являясь национальным средством проведения пилотируемых
полётов и выведения грузов, а также средством реализации неотделяемых станций
«Спейслэб», «Спейсхэб» и других международных и частных программ и одним из
основных средств доставки крупногабаритных грузов и экипажей большой численности
на МКС. Эксплуатация челноков завершена в 2011 году. В США производятся разработки
пилотируемых МТКК: Орион, Dragon V2, CST-100 и Dream Chaser.
По расчётам экономистов, стоимость вывода в космос одной тонны груза при
использовании челноков должна была быть низка, за счёт многократного использования
дорогостоящего
оборудования,
с
помощью
челноков
можно
возвращать спутники с орбиты, осуществлять ремонт спутников в космосе.
На данный момент считается, что корабли многоразового использования не
принесли планируемой выгоды, поскольку были недооценены эксплуатационные затраты.
Однако подобные аппараты не являются тупиковым путём развития космонавтики и после
создания более совершенных двигателей, материалов и технологий вероятно вытеснят
одноразовые или частично спасаемые системы.
Цель данной работы:
рассмотреть основные этапы развития космической техники в плане применения
многоразовых космических кораблей и систем.
Задачи:
1. Рассмотреть основные моменты развития многоразовых космических кораблей
2. Выяснить причины закрытия и приостановления некоторых проектов
3. Установить перспективы развития космической техники в плане многоразовых
космических кораблей и систем.
3
1. Космические корабли многоразового использования
1.1. Виды космических кораблей многоразового использования
Отличительной особенностью космических кораблей многоразового использования в
настоящее время является то, что для их запуска используются ракеты-носители.
Например, в Советском Союзе это была «Энергия»,
которая по своей сути являлась ракетой-носителем особо
тяжёлого класса, её использование для запуска орбитального
корабля было вызвано расположением стартовой площадки в
более высоких широтах по сравнению с американской
системой.
В США во время запуска «Шаттла» одновременно
используются два твердотопливных ускорителя и двигатели
самого
орбитального
корабля, криогенное
топливо для которых поступает из внешнего бака.
После выработки ресурса происходит отделение
ускорителей,
которые
затем
приводняются,
используя парашютную
систему.
Позднее
отделяется внешний топливный бак и сгорает в
плотных
слоях атмосферы.
Ускорители
используются повторно, но имеют ограниченный
ресурс.
Советская ракета «Энергия» могла использоваться для вывода на орбиту особо
тяжёлых грузов (элементов космических станций, межпланетных кораблей и пр.) общим
весом до 100 тонн
Проектируются и МТКК с горизонтальным стартом,
например
по
двухступенчатой
схеме
со
сверхзвуковым
или
дозвуковым самолётомносителем, который выводит космический аппарат на
заданную точку (возможен длительный перелёт с
дозаправкой в воздухе, к экваториальным областям
земного шара, с более благоприятными условиями
для запуска), поднимает его на определённую высоту,
после чего происходит отделение МТКК (воздушный
старт) и он выходит на опорную орбиту используя собственные двигатели.
Одноступенчатая
схема
запуска,
при
которой воздушно-космический
самолёт использует для запуска только собственные двигатели, без сбрасываемых
ускорителей или внешних топливных баков (англ. SSTO — Single Stage To Orbit,
одноступенчатый орбитальный корабль) большинством специалистов признаётся
неосуществимой при современном уровне развития науки и техники. Преимущества такой
схемы, в основном в эксплуатации, надёжности и времени подготовки к запуску, в
настоящее время не перевешивают затрат на разработку гибридных ракетных
двигателей и сверхлёгких материалов, которые необходимы для создания такого аппарата.
Существуют также проекты многоразовых аппаратов с вертикальным взлётом и
вертикальной посадкой на тяге двигателей. Наиболее разработанным (и прошедшим
серию испытаний) из них является созданный в США аппарат «Delta Clipper», а также
аппарат ROTON.
Вновь разрабатываемые в США («Орион») и России («Русь») корабли планируются
частично многоразовыми.
4
1.2. Как и зачем создавались многоразовые космические корабли
Ракетостроение имеет в своей основе два источника — авиацию и артиллерию.
Авиационное начало требовало многоразовости и крылатости, тогда как артиллерийское
было склонно к одноразовому применению «ракетного снаряда». Боевые ракеты, из
которых выросла практическая космонавтика, были, естественно, одноразовыми.
Когда дело дошло до практики, конструкторы столкнулись с целым комплексом
проблем высокоскоростного полета, в числе которых — чрезвычайно высокие
механические и тепловые нагрузки. Путем теоретических исследований, а также проб и
ошибок инженеры смогли подобрать оптимальную форму боевой части и эффективные
теплозащитные материалы. И когда на повестку дня встал вопрос о разработке реальных
космических кораблей, проектанты оказались перед выбором концепции: строить
космический «самолет» или аппарат капсульного типа, похожий на головную часть
межконтинентальной баллистической ракеты? Поскольку космическая гонка шла в
бешеном темпе, было выбрано наиболее простое решение — ведь в вопросах
аэродинамики и конструкции капсула куда проще самолета.
Быстро выяснилось, что на техническом
уровне тех лет сделать капсульный корабль
многоразовым
практически
нереально.
Баллистическая капсула входит в атмосферу с
огромной скоростью, а ее поверхность может
нагреваться до 2 500—3 000 градусов.
Космический
самолет,
обладающий
достаточно
высоким
аэродинамическим
качеством, при спуске с орбиты испытывает
почти
вдвое
меньшие
температуры
(1 300—1 600 градусов), но материалы,
пригодные для его теплозащиты, в 1950—1960-е годы еще не были созданы.
Единственной действенной теплозащитой была тогда заведомо одноразовая абляционная
обмазка: вещество покрытия оплавлялось и испарялось с поверхности капсулы потоком
набегающего газа, поглощая и унося при этом тепло, которое в противном случае вызвало
бы недопустимый нагрев спускаемого аппарата. Попытки разместить в единой капсуле
все системы — двигательную установку с топливными баками, системы управления,
жизнеобеспечения и энергопитания — вели к быстрому росту массы аппарата: чем
больше размеры капсулы, тем больше масса теплозащитного покрытия (в качестве
которой использовались, например, стеклотекстолиты, пропитанные фенольными
смолами с довольно большой плотностью). Однако грузоподъемность тогдашних ракетносителей была ограниченна. Решение было найдено в делении корабля на
функциональные отсеки. «Сердце» системы обеспечения жизнедеятельности космонавта
размещалось в относительно небольшой кабине-капсуле с тепловой защитой, а блоки
остальных систем были вынесены в одноразовые отделяемые отсеки, естественно, не
имевшие никакого теплозащитного покрытия. К такому решению конструкторов, как
представляется, подталкивал и небольшой ресурс основных систем космической техники.
Например, жидкостный ракетный двигатель «живет» несколько сотен секунд, а чтобы
довести его ресурс до нескольких часов, нужно приложить очень большие усилия.
И все же идея многоразовости ракетно-космической техники оказалась живучей.
5
1.3. Развитие космической техники
Развитие космической технологии в научно-исследовательских, прикладных и
военных целях поставило вопрос о снижении затрат по доставке грузов на космические
орбиты при возрастающих их объемах, Ответом на этот вопрос стало создание
многоразовых транспортных космических кораблей, в которых вся конструкция или её
часть используется многократно.
Трудности в возврате космического корабля на Землю определяются огромными
аэродинамическими и тепловыми нагрузками, которые возникают при торможении его
в атмосфере. Для сохранения всего космического корабля потребовались
принципиально новые решения: вместо баллистического спуска переход на
планирующий спуск корабля с использованием аэродинамического качества. Поэтому
космический корабль приобрел форму космического самолета, а для борьбы с нагревом
потребовалось защитить всю конструкцию корабля-самолета специальным
теплоизоляционным покрытием.
Конечно, такая конструкция корабля намного тяжелее и дороже. Экономический
эффект может быть достигнут только в случае многократного его использования, но в
немалой степени зависит и от значимости работ, выполняемых космическим кораблем.
Таким образом, появился новый тип сложных многократно используемых
космических аппаратов, обеспечивающих доставку на космические орбиты экипажа и
грузов, длительное пребывание на орбите с выполнением рабочих операций, а затем
возвращение на Землю. Эти аппараты получили название многоразовых транспортных
космических кораблей (МТКК).
МТКК могут иметь различные конструктивные схемы:
— одноступенчатые самолетные. Вся конструкция корабля приобретает очертания
самолета, разгоняемого до космических скоростей, возвращаемого на Землю,
(примером является проект английского МТКК «Хотол» (HOTOL));
— двухступенчатые самолетные, состоящие из разгонщика и орбитального самолета
(немецкий проект «Зенгер» (Sanger) и российский «МАКС»). Оба самолета
возвращаются на базовый аэродром , МТКК «Гермес-АРИАН», Франция
- комбинированные многоступенчатые, в которых разгон космического самолета
осуществляется ракетными ускорителями: «Буран-Энергия» СССР, МТКК «СпейсШаттл» (Space Shuttle) США.
Конструкция многоступенчатых МТКК состоит из орбитального корабля
самолетной схемы и ускорителей. Старт МТКК осуществляется в вертикальном
положении при одновременной работе всех ракетных двигателей. Разгон МТКК с
выходом на расчетную высоту осуществляется двигателями орбитального
маневрирования корабля. Этим же двигателем производится и торможение
орбитального корабля для его возвращения на Землю. Пологий спуск в атмосфере
проходит при выключенных двигателях и совершается на посадочную полосу с
помощью колесного шасси.
Возможности МТКК во многом определяются способностью выносить на орбиты в
грузовом отсеке корабля крупногабаритные грузы различного назначения. В качестве
полезных грузов могут быть научные лаборатории, космические телескопы, спутники,
конструкции орбитальных станций и др. Эти же грузы могут быть сняты с орбиты с
помощью манипулятора и возвращены на Землю в грузовом отсеке (например, для
ремонта). На орбитальном корабле имеются все необходимые условия для работы и
нахождения экипажа.
6
1.4. Предыстория многоразовых систем
Одним из первых технически проработанных проектов космического челнока был
ракетоплан конструкции Ойгена Зенгера. В 1929 году он выбрал этот проект для
докторской диссертации. По замыслу австрийского инженера, которому было всего 24
года, ракетоплан должен был выходить на околоземную орбиту, например, для
обслуживания орбитальной станции, а затем возвращаться на Землю с помощью крыльев.
В конце 1930-х - начале 1940-х годов в специально созданном закрытом научноисследовательском институте он выполнил глубокую проработку ракетного самолета,
известного как «антиподный бомбардировщик». К счастью, в Третьем рейхе проект
реализован не был, но стал отправной точкой для многих послевоенных работ как на
Западе, так и в СССР. Так, в США, по инициативе В. Дорнбергера (руководителя
программы V-2 в фашистской Германии), в начале 1950-х годов проектировался ракетный
бомбардировщик Bomi, двухступенчатый вариант которого мог бы выходить на
околоземную орбиту.
В 1957 году американские военные начали работу над ракетопланом DynaSoar.
Аппарат должен был выполнять особые миссии (инспекция спутников, разведывательноударные операции и др.) и в планирующем полете возвращаться на базу. В СССР, еще до
полета Юрия Гагарина, рассматривалось несколько вариантов крылатых пилотируемых
аппаратов многоразового использования, таких как ВКА-23 (главный конструктор В.М.
Мясищев), «136» (А.Н. Туполев), а также проект П.В. Цыбина, известный как «лапоток»,
разработанный по заказу С.П. Королева. Во второй половине 1960-х годов в СССР в ОКБ
А.И. Микояна, под руководством Г.Е. Лозино-Лозинского, велась работа над
многоразовой авиационно-космической системой "Спираль", которая состояла из
сверхзвукового самолета-разгонщика и орбитального самолета, выводимого на орбиту с
помощью двухступенчатого ракетного ускорителя. Орбитальный самолет по размерности
и назначению в общих чертах повторял DynaSoar, однако отличался формой и
техническими деталями. Рассматривался и вариант запуска «Спирали» в космос с
помощью ракеты-носителя «Союз». Из-за недостаточного технического уровня тех лет ни
один из многочисленных проектов многоразовых крылатых аппаратов 1950-1960 годов не
вышел из стадии проектирования.
1.5. Создание Шаттла.
К концу 1960-х годов в США и несколько позднее в СССР и Европе был накоплен
изрядный задел в области гиперзвуковой аэродинамики, новых конструкционных и
теплозащитных
материалов.
А
теоретические
исследования
подкрепились
экспериментами, в том числе полётами опытных летательных аппаратов, самым
известным из которых был американский Х-15. В 1969 году NASA заключило первые
контракты с аэрокосмическими компаниями США на исследование облика перспективной
многоразовой транспортной космической системы Space Shuttle (англ. - «космический
челнок»). По прогнозам того времени, к началу 1980-х годов грузопоток "Земля-орбитаЗемля" должен был составить до 800 тонн в год, и шаттлам предстояло ежегодно
совершать 50-60 полетов, доставляя на околоземную орбиту космические аппараты
различного назначения, а также экипажи и грузы для орбитальных станций. Ожидалось,
что стоимость выведения грузов на орбиту не превысит 1 000 долларов за килограмм. При
этом от космического челнока требовалось умение возвращать с орбиты достаточно
большие нагрузки, например дорогие многотонные спутники для ремонта на Земле. Надо
отметить, что задача возврата грузов с орбиты в некоторых отношениях сложнее вывода
их в космос. Например, на кораблях «Союз» космонавты, возвращаясь с Международной
космической станции, могут взять менее сотни килограммов багажа.
7
В мае 1970 года, после анализа полученных предложений, NASA выбрало систему с
двумя крылатыми ступенями и выдало контракты на дальнейшую проработку проекта.
При стартовой массе около 1 500 тонн она должна 6ыла выводить на низкую орбиту от 9
до 20 тонн полезного груза. Обе ступени предполагалось оснащать связками кислородноводородных двигателей тягой по 180 тонн каждый. Однако в январе 1971 года требования
были пересмотрены - выводимая масса выросла до 29,5 тонны, а стартовая - до 2 265 тонн.
По расчетам, пуск системы стоил не более 5 миллионов долларов, но вот разработка
оценивалась в 10 миллиардов долларов - больше, чем был готов выделить конгресс США.
Перед NASA и фирмами-разработчиками встала задача - снизить стоимость проекта по
крайней мере вдвое. В рамках полностью многоразовой концепции этого добиться не
удалось: слишком сложно было разработать теплозащиту ступеней с объемистыми
криогенными баками. Возникла идея сделать баки внешними, одноразовыми. Затем
отказались и от крылатой первой ступени в пользу повторно используемых стартовых
твердотопливных ускорителей. Конфигурация системы приобрела знакомый всем вид, а
ее стоимость, около 5 миллиардов долларов, укладывалась в заданные пределы. 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».
Полномасштабная разработка Space Shuttle началась в 1972 году. К моменту ввода
системы в эксплуатацию (а первый полет «Колумбии» состоялся 12 апреля 1981 года ровно через 20 лет после Гагарина) это был во всех отношениях технологический шедевр.
Вот только затраты на его разработку превысили 12 миллиардов долларов. На сегодня
стоимость одного пуска достигает и вовсе фантастических 500 миллионов долларов! Как
же так? Ведь многоразовое в принципе должно быть дешевле одноразового (по крайней
мере, в пересчете на один полет)? Во-первых, не оправдались прогнозы по объемам
грузопотока - он оказался на порядок меньше ожидавшегося. Во-вторых, компромисс
между инженерами и финансистами не пошел на пользу эффективности челнока:
стоимость ремонтно-восстановительных работ для ряда агрегатов и систем достигла
половины стоимости их производства! Особенно дорого обходилось обслуживание
уникальной керамической теплозащиты. Наконец, отказ от крылатой первой ступени
привел к тому, что для повторного использования твердотопливных ускорителей
пришлось организовывать дорогостоящие поисково-спасательные операции.
Кроме того, шаттл мог работать только в пилотируемом режиме, что существенно
удорожало каждую миссию. Кабина с астронавтами не отделяется от корабля, из-за чего
на некоторых участках полета любая серьезная авария чревата катастрофой с гибелью
экипажа и потерей челнока. Это случилось уже дважды - с «Челленджером» (28 января
1986 года) и «Колумбией» (1 февраля 2003 года). Последняя катастрофа изменила
отношение к программе Space Shuttle: после 2010 года «челноки» были выведены из
эксплуатации.
1.6. Челноки нового поколения в мире
С момента начала реализации программы Space Shuttle в мире неоднократно
предпринимались попытки создания новых многоразовых кораблей.
Проект "Гермес" начали разрабатывать во Франции в конце 1970-х годов, а потом
продолжили в рамках Европейского космического агентства. Этот небольшой
космический самолет, сильно напоминавший проект DynaSoar (и разрабатываемый в
России "Клипер"), должен был выводиться на орбиту одноразовой ракетой «Ариан-5»,
доставляя к орбитальной станции несколько человек экипажа и до трех тонн грузов.
Несмотря на достаточно консервативную конструкцию, «Гермес» оказался Европе не по
8
силам. В 1994 году проект, на который израсходовали около 2 миллиардов долларов, был
закрыт.
Куда более фантастично выглядел проект беспилотного воздушно-космического
самолета с горизонтальным взлетом и посадкой HOTOL (Horizontal Take-Off and
Landing), предложенный в 1984 году фирмой British Aerospace. По замыслу, этот
одноступенчатый крылатый апnарат предполагалось оснастить уникальной двигательной
установкой, сжижающей в полете кислород из воздуха и использующей его в качестве
окислителя. Горючим служил водород. Финансирование работ со стороны государства
(три миллиона фунтов стерлингов) через три года прекратилось из-за необходимости
огромных затрат на демонстрацию концепции необычного двигателя.
Промежуточное положение между "революционным" HOTOL и консервативным
"Гермесом" занимает проект воздушно-космической системы "Зенгер" (Sanger),
разработанный в середине 1980-х годов в ФРГ. Первой ступенью в нем служил
гиперзвуковой
самолет-разгонщик
с
комбинированными
турбопрямоточными
двигателями. После достижения 4-5 скоростей звука с его спины стартовали либо
пилотируемый воздушно-космический самолет "Хорус", либо одноразовая грузовая
ступень «Каргус». Однако и этот проект не вышел из "бумажной" стадии, в основном по
финансовым причинам.
Американский проект NASP был представлен президентом Рейганом в 1986 году как
национальная программа воздушно-космического самолета. Этот одноступенчатый
аппарат, который в прессе часто называли "Восточным экспрессом", имел фантастические
летные характеристики. Их обеспечивали прямоточные воздушно-реактивные двигатели
со сверхзвуковым горением, которые, по утверждениям специалистов, могли работать при
числах Маха от 6 до 25. Однако проект столкнулся с техническими проблемам и, и в
начале 1990-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, этот корабль канул в Лету. Справедливости ради надо сказать, что «Буран» оказался
не менее совершенен, чем Space Shuttle. А в отношении безопасности и универсальности
применения даже превосходил заокеанского конкурента. В отличие от американцев
советские специалисты не питали иллюзий по поводу экономичности многоразовой
системы - расчеты показывали, что одноразовая ракета эффективнее. Но при создании
"Бурана" основным был иной аспект - советский челнок разрабатывался как военнокосмическая система. С окончанием «холодной войны» этот аспект отошел на второй
план, чего не скажешь про экономическую целесообразность. А с ней у «Бурана» было
плохо: его пуск обходился, как одновременный старт пары сотен носителей «Союз».
Судьба «Бурана» была решена.
Несмотря на то, что новые программы разработки многоразовых кораблей
появляются как грибы после дождя, до сих пор ни одна из них не принесла успеха. Ничем
окончились упомянутые выше проекты Hermes (Франция, ЕКА), HOTOL
(Великобритания) и Saпger (ФРГ). "Завис" между эпохами МАКС - советско-российская
многоразовая авиационно-космическая система. Потерпели неудачу и программы NASP
(Национальный аэрокосмический самолет) и RLV (Многоразовая paкета-носитель) очередные попытки США создать МТКС второго поколения на замену Space Shuttle.
9
2. Сравнение МТТК Спейс Шаттл и Буран
Спейс Шаттл
Буран
10
Когда смотришь фотографии крылатых космических кораблей «Бурана» и «Шаттла»,
то может сложиться впечатление, что они вполне идентичны. По крайней мере,
принципиальных различий будто бы и не должно быть. Несмотря на внешнюю схожесть,
эти две космические системы всё же отличаются в корне.
Основные характеристики МТКК «Спейс Шатлл» и «Буран» приведены в таблицах в
Приложении 1 и 2.
2.1.Космический челнок «Спейс Шаттл»
Спейс Шаттл или просто Шаттл (англ. Space Shuttle — «космический челнок») —
американский многоразовый
транспортный
космический
корабль.
Шаттлы
использовались в рамках осуществляемой НАСА государственной программы
«Космическая транспортная система». Подразумевалось, что шаттлы будут «сновать,
как челноки» между околоземной орбитой и Землёй, доставляя полезные грузы в обоих
направлениях.
«Шаттл» имеет три жидкостных ракетных двигателя (ЖРД), работающих на
водороде. Окислитель - жидкий кислород. Для совершения выхода на околоземную
орбиту требуется огромное количество топлива и окислителя. Поэтому топливный бак
является самым большим элементом системы «Спейс Шаттл». Космический корабль
располагается на этом огромном баке и соединен с ним системой трубопроводов по
которым подаётся топливо и окислитель на двигатели «Шаттла».
И всё равно, трех мощных двигателей крылатого корабля не хватает для выхода в
космос. К центральному баку системы крепятся два твердотопливных ускорителя —
самых мощных ракет в истории человечества на сегодняшний день. Наибольшая
мощность необходима именно при старте, чтобы сдвинуть многотонный корабль и
поднять его на первые четыре с половиной десятка километров. Твердотопливные
ракетные ускорители берут на себя 83% нагрузки.
На высоте 45 км твердотопливные ускорители,
выработав все топливо, отделяются от корабля и на
парашютах приводняются в океане. Дальше, до высоты
113 км, «шаттл» поднимается с помощью трех ЖРД.
После отделения бака, корабль летит еще 90 секунд по
инерции и затем, на короткое время, включаются два
двигателя орбитального маневрирования, работающие
на самовоспламеняющемся топливе. И «шаттл»
выходит на рабочую орбиту. А бак входит в атмосферу,
где и сгорает. Отдельные его части падают в океан.
Двигатели
орбитального
маневрирования
Отделение твердотопливных
предназначены, как можно понять из их названия, для
ускорителей
различных маневров в космосе: для изменения
параметров орбиты, для причаливания к МКС или к другим космическим аппаратам
находящихся на околоземной орбите. Так, «шаттлы» несколько раз наведывались к
орбитальному телескопу «Хаббл» для проведения сервисного обслуживания.
И, наконец, эти двигатели служат для создания тормозного импульса при
возвращении на Землю.
Орбитальная ступень выполнена по аэродинамической схеме моноплана-бесхвостки
с низкорасположенным дельтавидным крылом с двойной стреловидностью передней
кромки и с вертикальным оперением обычной схемы. Для управления в атмосфере
используются двухсекционный руль направления на киле (здесь же воздушный тормоз),
11
элевоны
на
задней
кромке
крыла
и
балансировочный щиток под хвостовой частью
фюзеляжа. Шасси убирающееся, трёхстоечное, с
носовым колесом.
Длина 37,24 м, размах крыла 23,79 м, высота
17,27 м. «Сухой» вес аппарата около 68 т, взлётный
– от 85 до 114 т (в зависимости от задачи и
полезной нагрузки), посадочный с возвращаемым
грузом на борту – 84,26 т.
Важнейшей особенностью конструкции планера является его теплозащита.
В самых теплонапряженных местах (расчётная температура до 1430º С) применен
многослойный углерод - углеродный композит. Таких мест немного, это в основном носок
фюзеляжа и передняя кромка крыла. Нижняя поверхность всего аппарата (разогрев от 650
до 1260º С) покрыта плитками из материала на основе кварцевого волокна. Верхняя и
боковые поверхности частично защищаются плитками низкотемпературной изоляции –
там, где температура составляет 315–650º С; в остальных местах, где температура не
превышает 370º С, используется войлочный материал, покрытый силиконовой резиной.
Общий вес теплозащиты всех четырёх типов составляет 7164 кг.
Орбитальная ступень имеет двухпалубную
кабину для семи астронавтов.
В случае расширенной программы полёта или
при выполнении спасательных операций на борту
шатла может находиться до десяти человек. В
кабине – органы управления полётом, рабочие и
спальные места, кухня, кладовая, санитарный отсек,
шлюзовая камера, посты управления операциями и
полезной нагрузкой, другое оборудование. Общий
Верхняя палуба кабины шаттла
герметизированный объём кабины – 75 куб. м,
система жизнеобеспечения поддерживает в нем давление 760 мм рт. ст. и температуру в
диапазоне 18,3 – 26,6º С.
Эта система выполнена в открытом варианте, то есть без использования регенерации
воздуха и воды. Такой выбор обусловлен тем, что продолжительность полётов шаттла
была задана в семь суток, с возможностью её доведения до 30 суток при использовании
дополнительных средств. При такой незначительной автономности установка аппаратуры
регенерации означала бы неоправданное увеличение веса, потребляемой мощности и
сложности бортового оборудования.
Запаса сжатых газов хватает на восстановления нормальной атмосферы в кабине в
случае одной полной разгерметизации или на поддержание в ней давления 42,5 мм рт. ст.
в течение 165 минут при образовании небольшого
отверстия в корпусе вскоре после старта.
Грузовой отсек размерами 18,3 х 4,6 м и объемом 339,8
куб. м снабжен «трёхколенным» манипулятором длиной
15,3 м. При открытии створок отсека вместе с ними
поворачиваются в рабочее положение радиаторы
системы охлаждения. Отражательная способность
панелей радиаторов такова, что они остаются
холодными, даже когда на них светит Солнце.
12
Что может «Спейс шаттл» и как он летает
Если представить себе систему в собранном виде, летящую горизонтально, мы
увидим внешний топливный бак в качестве её центрального элемента; к нему сверху
пристыкован орбитер, а по бокам – ускорители. Полная длина системы равна 56,1 м, а
высота – 23,34 м. Габаритная ширина определяется размахом крыла орбитальной ступени,
то есть составляет 23,79 м. Максимальная стартовая масса – около 2 041 000 кг.
О величине полезного груза столь однозначно говорить нельзя, так как она зависит
от параметров целевой орбиты и от точки старта корабля. Приведем три варианта.
Система «Спейс шаттл» способна выводить:
– 29 500 кг при пуске на восток с мыса Канаверал (Флорида, восточное побережье) на
орбиту высотой 185 км и наклонением 28º;
– 11 300 кг при пуске из Центра космических полётов им. Кеннеди на орбиту высотой 500
км и наклонением 55º;
– 14 500 кг при пуске с базы ВВС «Ванденберг» (Калифорния, западное побережье) на
приполярную орбиту высотой 185 км.
Для шаттлов были оборудованы две посадочные полосы. Если шаттл садился вдали
от космодрома, домой возвращался верхом на Боинге-747
Всего было построено пять шаттлов (два из
них погибли в катастрофах) и один прототип.
При разработке предусматривалось, что
шаттлы будут совершать по 24 старта в год, и
каждый из них совершит до 100 полётов в космос.
На практике же они использовались значительно
меньше — к закрытию программы летом 2011
года было произведено 135 пусков, из них
«Дискавери» — 39, «Атлантис» — 33,
«Колумбия» — 28, «Индевор» — 25,
«Челленджер» — 10.
Боинг-747 везет шаттл на космодром
Экипаж шаттла состоит из 2 астронавтов —
командира и пилота. Наибольший экипаж шаттла — 8 астронавтов («Challenger»,1985).
13
Реакция СССР на создание «Шаттла»
На руководителей СССР разработка «шаттла» произвела большое впечатление.
Посчитали, что американцы разрабатывают орбитальный бомбардировщик вооруженный
ракетами «космос — земля». Огромные размеры «шаттла» и его возможность возвращать
на Землю груз до 14,5 тонн были истолкованы как явная угроза похищения советских
спутников и даже советских военных космических станций типа «Алмаз», которые летали
в космосе под названием «Салют». Эти оценки были ошибочными, так как США еще в
1962 году отказались от идеи космического бомбардировщика в связи с успешным
развитием атомного подводного флота и баллистических ракет наземного базирования.
Советские эксперты не могли понять зачем нужны 60 запусков «шаттлов» в год —
один запуск в неделю! Откуда должны были взяться множество космических спутников и
станций для которых необходим будет «Шаттл»? Советские люди, живущие в рамках
другой экономической системы, не могли даже себе представить, что руководством
НАСА, усиленно проталкивающим новую космическую программу в правительстве и
конгрессе, руководил страх остаться без работы. Лунная программа близилась к
завершению и тысячи высококвалифицированных специалистов оказывались не у дел. И,
самое главное, перед уважаемыми и очень хорошо оплачиваемыми руководителям НАСА
возникала неутешительная перспектива расставания с обжитыми кабинетами.
Было подготовлено экономическое обоснование о большой финансовой выгоде
многоразовых транспортных космических кораблей в случае отказа от одноразовых ракет.
В СССР воцарилось мнение, что американцы создают новый КК под какие-то будущие
непонятные задачи, скорее всего военные.
«Союз» мог легко поместиться в грузовом отсеке «Шаттла»
14
2.2. Многоразовый космический корабль «Буран»
В
Советском
Союзе
первоначально
планировалось создать усовершенствованную
копию «Шаттла» — орбитальный самолет ОС120,
весом
в
120
тонн.
(Американский челнок весил 110 тонн при полной
загрузке).
В отличие от «Шаттла» предполагалось снабдить
«Буран» катапультируемой кабиной для двух
пилотов и турбореактивными двигателями для
посадки на аэродроме.
На почти полном копировании «шаттла»
настаивало руководство вооруженных сил СССР.
Советская разведка сумела к этому времени
«Буран» в полете
добыть много информации по американскому КК.
Но оказалось не все так просто. Отечественные водородно-кислородные ЖРД оказались
большими по размеру и более тяжелыми, чем американские. К тому же по мощности они
уступали заокеанским. Поэтому вместо трех ЖРД надо было устанавливать четыре. Но на
орбитальном самолете для четырех маршевых двигателей места просто не было.
У «шаттла» 83 % нагрузки на старте несли два твердотопливных ускорителя. В
Советском Союзе таких мощных твердотопливных ракет разработать не удалось. Ракеты
подобного типа использовались в качестве баллистических носителей ядерных зарядов
морского и наземного базирования. Но они не дотягивали до нужной мощности очень и
очень много. Поэтому у советских конструкторов была единственная возможность —
использовать в качестве ускорителей жидкостные ракеты. По программе «Энергия-Буран»
были созданы очень удачные керосино-кислородные РД-170, которые и послужили
альтернативой твердотопливным ускорителям.
Само расположение космодрома Байконур вынуждало конструкторов увеличивать
мощность своих ракет-носителей. Известно, что чем ближе стартовая площадка к
экватору, тем больший груз одна и та же ракета может вывести на орбиту. У
американского космодрома на мысе Канаверал преимущество перед Байконуром
составляет 15%! То есть, если ракета стартующая с Байконура может поднять 100 тонн, то
она же при запуске с мыса Канаверал выведет на орбиту 115 тонн!
Этапы выведения полезной нагрузки на орбиту
Старт (одновременная работа
блоков первой и второй ступеней)
Этап работы кислородно-водородных ЖРД второй
ступени
Довыведение на опорную
орбиту
15
Географические условия, отличия в технологии, характеристики созданных
двигателей и разный конструкторский подход — оказали своё влияние на облик «Бурана».
Исходя из всех этих реалий была разработана новая концепция и новый орбитальный
корабль ОК-92, весом 92 тонны. Четыре кислородно-водородных двигателя перенесли на
центральный топливный бак и получилась вторая ступень ракеты-носителя «Энергия».
Вместо двух твердотопливных ускорителей было решено применить четыре ракеты на
жидком топливе керосин-кислород с четырехкамерными двигателями РД-170.
Четырехкамерный — это значит с четырьмя соплами.Сопло большого диаметра
изготовить крайне сложно. Поэтому конструкторы идут на усложнение и утяжеление
двигателя проектируя его с несколькими соплами меньшего размера. Сколько сопел,
столько и камер сгорания с кучей трубопроводов подачи топлива и окислителя и со всеми
«причандалами» . Эта связка выполнена по традиционной, «королёвской» ,схеме,
аналогичной «союзам» и «востокам», стала первой ступенью «Энергии».
Сам крылатый корабль «Буран» стал третьей ступенью ракеты-носителя, подобно
тем же «Союзам». Разница лишь в том, что «Буран» располагался на боку второй ступени,
а «Союзы» на самой верхушке ракеты-носителя. Таким образом получилась классическая
схема трехступенчатой одноразовой космической системы, с тем лишь отличием, что
орбитальный корабль был многоразовым.
Многоразовость была еще одной проблемой системы «Энергия — Буран». У
американцев, «шаттлы» были рассчитаны на 100 полетов. Например, двигатели
орбитального маневрирования могли выдержать до 1000 включений. Все элементы (кроме
топливного бака) после профилактики были пригодны для запуска в космос.
Твердотопливные ускорители опускались на парашютах в океан, подбирались
специальными судами НАСА и доставлялись на завод изготовитель, где проходили
профилактику и начинялись топливом. Сам «Шаттл» тоже проходил тщательную
проверку, профилактику и ремонт.
Министр обороны Устинов в ультимативной форме требовал, чтобы система
«Энергия — Буран» была максимально пригодной к повторному использованию. Поэтому
конструкторы вынуждены были заняться этой проблемой. Формально боковые
ускорители числились многоразовыми, пригодными для десяти пусков. Но фактически до
этого дело не дошло по многим причинам. Взять хотя бы то, что американские ускорители
шлепались в океан, а советские падали в казахстанской степи, где условия приземления
были не такие щадящие как теплые океанские воды. Да и жидкостная ракета - создание
более нежное, чем твердотопливная. «Буран» тоже был рассчитан на 10 полетов.
В общем, многоразовой системы не получилось, хотя достижения были очевидными.
Советский орбитальный корабль, освобожденный от больших маршевых двигателей,
получил более мощные двигатели для маневрирования на орбите. Что, в случае его
использования в качестве космического «истребителя-бомбардировщика», давало ему
большие преимущества. И плюс ещё турбореактивные двигатели для полета и посадки в
атмосфере. Кроме этого была создана мощная ракета с первой ступенью на керосиновом
топливе, а вторая на водородном. Именно такой ракеты не хватало СССР, чтобы выиграть
лунную гонку. «Энергия» по своим характеристикам была практически равноценна
американской ракете «Сатурн-5″ отправившей на Луну «Аполлон-11″.
«Бурaн» имеет бoльшoе внeшнeе cхoдcтвo c aмeрикaнcким «Шaттлoм». Кoрaбль
пocтрoен пo cхeмe cамoлeтa типa «бecхвocткa» c трeугoльным крылoм пeрeмeннoй
cтрeлoвиднocти, имeет aэрoдинaмичecкиe oргaны упрaвлeния, рaбoтaющиe при пocадкe
пocлe вoзврaщeния в плoтныe cлoи aтмocфeры – руль нaпрaвлeния и элeвoны. Oн был
cпocобeн cовeршaть упрaвляeмый cпуcк в aтмocфeрe c бoкoвым мaнeврoм дo 2000
килoмeтрoв.
16
Длинa «Бурaнa» – 36,4 м., рaзмaх крылa – oкoлo 24 м., выcотa кoрaбля нa шacси –
бoлeе 16 м. Cтaртoвaя мacсa кoрaбля – бoлeе 100 тoнн, из кoтoрых 14 тoнн прихoдитcя нa
тoпливo. В нocовoй oтcек вcтaвлeнa гeрмeтичнaя цeльнocвaрнaя кaбинa для экипaжa и
бoльшeй чacти aппaрaтуры для oбecпeчeния пoлeтa в cоcтaвe рaкeтнo-кocмичecкoгo
кoмплeкcа, aвтoнoмнoгo пoлeтa нa oрбитe, cпуcкa и пocадки. Oбъeм кaбины – бoлeе 70
кубичecких мeтрoв.
При вoзврaщeнии в плoтныe cлoи aтмocфeры нaибoлeе тeплoнaпряжeнныe учacтки
пoвeрхнocти кoрaбля рacкaляютcя дo 1600 грaдуcов, тeплo жe, дoхoдящeе
нeпocрeдcтвeннo дo мeтaлличecкoй кoнcтрукции кoрaбля, нe дoлжнo прeвышaть 150
грaдуcов. Пoэтoму «Бурaн» oтличaлa мoщнaя тeплoвaя зaщитa, oбecпeчивaющaя
нoрмaльныe тeмпeрaтурныe уcлoвия для кoнcтрукции кoрaбля при прoхoждeнии плoтных
cлoев aтмocфeры вo врeмя пocадки.
Тeплoзaщитнoе пoкрытиe из бoлeе 38 тыcяч плитoк изгoтoвлeнo из cпeциaльных
мaтeриaлoв: квaрцeвoе вoлoкнo, выcокoтeмпeрaтурныe oргaничecкиe вoлoкнa, чacтичнo
мaтeриaл нa ocнoвe углeрoдa. Кeрaмичecкaя брoня oблaдaeт cпocобнocтью
aккумулирoвaть тeплo, нe прoпуcкaя eгo к кoрпуcу кoрaбля. Oбщaя мacсa этoй брoни
cоcтaвилa oкoлo 9 тoнн.
Длинa грузoвoгo oтcекa «Бурaнa» – oкoлo 18 м. В eгo oбширнoм грузoвoм oтcекe мoг
рaзмecтитьcя пoлeзный груз мacсoй дo 30 тoнн. Тудa мoжнo былo пoмecтить
крупнoгaбaритныe кocмичecкиe aппaрaты – бoльшиe cпутники, блoки oрбитaльных
cтaнций. Пocадoчнaя мacсa кoрaбля – 82 тoнны.
«Бурaн» ocнacтили вcеми нeoбхoдимыми cиcтeмaми и oбoрудoвaниeм кaк для
aвтoмaтичecкoгo, тaк и для пилoтируeмoгo пoлeтa. Этo и cрeдcтвa нaвигaции и
упрaвлeния, и рaдиoтeхничecкиe и тeлeвизиoнныe cиcтeмы, и aвтoмaтичecкиe уcтрoйcтвa
рeгулирoвaния тeплoвoгo рeжимa, и cиcтeмa жизнeoбecпeчeния экипaжa, и мнoгoе-мнoгoе
другoе.
Ocнoвнaя двигaтeльнaя уcтaнoвкa, двe
группы
двигaтeлeй
для
мaнeврирoвaния
рacпoлoжeны в кoнцe хвocтoвoгo oтcекa и в
пeрeднeй чacти кoрпуcа.
18 ноября 1988 года «Буран» отправился в
свой полет в космос. Он был запущен с помощью
ракеты-носителя «Энергия».
Кабина Бурана
После выхода на околоземную орбиту
«Буран» сделал 2 витка вокруг Земли (за 205
минут), затем начал снижение на Байконур.
Посадка была произведена на специальном
аэродроме Юбилейный.
Полет прошел в автоматическом режиме, экипажа на борту не было. Полет по орбите
и посадка произведены с помощью бортового компьютера и специального программного
обеспечения. Автоматический режим полета явился главным отличием от Спейс Шаттла,
в котором посадку производят в ручном режиме астронавты. Полет Бурана вошел в книгу
рекордов Гиннеса как уникальный (ранее никто не сажал космические аппараты в
полностью автоматическом режиме).
Всего намечалось построить 5 орбитальных кораблей. Кроме «Бурана» была почти
готова «Буря» и почти наполовину «Байкал». Еще два корабля находящиеся в начальной
стадии изготовления названий не получили. Системе «Энергия-Буран» не повезло — она
родилась в неудачное для неё время. Экономика СССР уже была не в состоянии
17
финансировать дорогостоящие космические программы. И какой-то рок преследовал
космонавтов готовившихся к полётам на «Буране». Лётчики-испытатели В.Букреев и
А.Лысенко погибли в авиакатастрофах в 1977 году, еще до перехода в группу
космонавтов. В 1980 году погиб летчик-испытатель О.Кононенко. 1988 год забрал жизни
А.Левченко и А Щукина. Уже после полета «Бурана» погиб в авиакатастрофе
Р.Станкявичус — второй пилот для пилотируемого полёта крылатого КК. Первым
пилотом был назначен И. Волк.
Не повезло и «Бурану». После первого и единственного успешного полёта корабль
хранился в ангаре на космодроме «Байконур». 12 мая 2002 года обрушилось перекрытие
цеха в котором находились » Буран» и макет «Энергии». На этом печальном аккорде и
закончилось существование крылатого космического корабля, подававшего столь
большие надежды.
С точки зрения экономической целесообразности программы «Спейс Шаттл» и
«Буран» едва ли можно назвать успешными. Космические корабли одноразового
использования оказались гораздо экономичней своих, казалось бы, более технологически
продвинутых многоразовых собратьев. Да и безопасность полетов на «шаттлах» вызывала
сомнения. Но причина столь неоднозначных итогов космических путешествий
легендарных кораблей заключается не в его техническом несовершенстве, а в сложности
самой концепции космических аппаратов многоразового использования.
В итоге, российские космические корабли одноразового использования «Союз»,
разработанные ещё в 60-е годы прошлого века, стали единственным типом аппаратов,
осуществляющим ныне пилотируемые полеты на Международную космическую станцию
(МКС). Нужно сразу отметить, что это отнюдь не говорит об их превосходстве над МТКК.
Корабли «Союз», как и беспилотные «космические грузовики» «Прогресс», созданные на
их базе, обладают рядом концептуальных недостатков. Они весьма ограничены в
грузоподъемности. А еще использование подобных аппаратов приводит к накоплению
орбитального мусора, оставшегося после их эксплуатации. Космические полеты на
кораблях типа «Союз» очень скоро станут частью истории. В то же время, на
сегодняшний день, не существует реальных альтернатив. Огромный потенциал,
заложенный в концепции кораблей многоразового использования, зачастую остается
технически нереализуемым даже в наше время.
18
3. Анализ проектов многоразовых систем.
3.1. Основные причины неудач проектов многоразовых систем
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 70 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.
3.2. Перспективы развития многоразовых систем
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.
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 многоступенчатык, 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
19
приемлемым и эксплуатационными характеристиками, если использовать крылатые
первые ступени, возвращаемые к месту старта по-самолетному.
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 близкая к реализации проект многоразового корабля.
Вообще МТКС в первом приближении можно классифицировать по способам старта
и посадки: горизонтальномy и вертикальномy. Часто думают, что системы с
горизонтальных стартом имеют преимyщество, 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,
20
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.
Наиболее реалистичными, то есть простыми и относительно дешёвыми в разработке,
пожалуй, являются два вида систем. Первый - типа уже упомянутого «Клипера», в
которых принципиально новым оказался только пилотируемый крылатый многоразовый
аппарат (или большая его часть). Небольшие размеры хоть и создают определенные
трудности в части теплозащиты, зато уменьшают затраты на разработку. Технические
проблемы для таких аппаратов практически решены. Так что «Клипер» - это шаг в
правильном направлении. Второй - системы вертикального пуска с двумя крылатыми
ракетными ступенями, которые могут самостоятельно вернуться к месту старта. Особых
технических проблемы при их создании не ожидается, да и подходящий стартовый
комплекс можно, наверное, подобрать из числа уже построенных. Подводя итог, можно
полагать, что будущее многоразовых космических систем безоблачным не будет. Им
придется отстаивать право на существование в суровой борьбе с примитивными, но
надежными и дешевыми одноразовыми ракетами.
21
4. Будущее космических полетов
4.1. Новые космические корабли США
В июле 2011-го года американский президент Барак Обама заявил: полет на Марс
является новой и, насколько можно полагать, главной целью американских астронавтов на
ближайшие десятилетия. Одной из программ, осуществляемых NASA в рамках освоения
Луны и полета на Марс, стала масштабная космическая программа «Созвездие».
В её основе - создание нового пилотируемого космического корабля «Орион», ракетносителей «Арес-1» и «Арес-5», а также лунного модуля «Альтаир». Несмотря на то что в
2010-м году правительство США приняло решение о сворачивании программы
«Созвездие», NASA получило возможность продолжить разработку «Ориона». Первый
беспилотный испытательный полет корабля успешно прошел 5 декабря 2014 г. Во время
полета аппарат удалился на шесть тысяч километров от Земли. Это примерно в
пятнадцать раз дальше, чем находится МКС. После тестового полета корабль взял курс на
Землю. В атмосферу новый аппарат сможет входить со скоростью 32 тыс. км/ч.
Пилотируемый запуск намечен на 2021-й год.
Согласно планам NASA, в роли ракет-носителей «Ориона» будут выступать «Дельта4» и «Атлас-5». От разработки «Арес» было решено отказаться. Кроме того, для освоения
дальнего космоса американцы проектируют новую сверхтяжёлую ракету-носитель SLS.
«Орион» - корабль частично многоразового использования и концептуально
находится ближе к аппарату «Союз», чем к космическому челноку «Шаттл».
Частично многоразовыми являются большинство перспективных космических
кораблей. Такая концепция предполагает, что после осуществления посадки на
поверхность Земли жилую капсулу корабля можно будет повторно использовать для
запуска в космическое пространство. Это позволяет совместить функциональную
практичность многоразовых космических кораблей с экономичностью эксплуатации
аппаратов типа «Союз». Такое решение - переходный этап. Вероятно, в отдаленном
будущем все космические аппараты станут многоразовыми.
22
Так что американский «Спейс шаттл» и советский «Буран» в каком-то смысле
опередили своё время.
Похоже, слова «практичность» и «предусмотрительность» как нельзя лучше
характеризуют американцев. Правительство США решило не взваливать все свои
космические амбиции на плечи одного «Ориона». В настоящее время сразу несколько
частных компаний по заказу NASA разрабатывают собственные космические корабли,
призванные заменить используемые сегодня аппараты. В рамках «Программы развития
коммерческих пилотируемых кораблей» (CCDev) компания Boeing разрабатывает
частично многоразовый пилотируемый космический корабль CST-100. Аппарат
предназначен для совершения коротких путешествий на околоземную орбиту. Его
главной задачей станет доставка экипажа и грузов на МКС.
Экипаж корабля может составлять до семи человек. При этом, во время
проектирования CST-100 особое внимание было уделено комфорту астронавтов. Жилое
пространство аппарата куда обширней кораблей прошлого поколения. Запуск его,
вероятно, будет производиться с помощью ракет-носителей «Атлас», «Дельта» или
«Фалькон». При этом, «Атлас-5» является наиболее подходящим вариантом. Посадка
корабля будет осуществляться с помощью парашюта и воздушных подушек. Согласно
планам компании Boeing, в 2015-м году CST-100 ждет серия испытательных запусков.
Первые два полета будут беспилотными. Главная их задача- вывод аппарата на орбиту и
тестирование систем безопасности. Во время третьего полета планируется пилотируемая
стыковка с МКС. В случае успеха испытаний CST-100 очень скоро будет способен прийти
на замену российским кораблям «Союз» и «Прогресс», монопольно осуществляющим
пилотируемые полеты на Международную космическую станцию.
Ещё одним частным кораблем, который будет выполнять доставку грузов и экипажа
на МКС, станет аппарат, разработанный компаний SpaceX, входящей в состав Sierra
Nevada Corporation. Частично многоразовый моноблочный корабль «Дракон» разработан
по программе NASA «Коммерческая орбитальная транспортировка» (COTS). Планируется
построить три его модификации: пилотируемую, грузовую и автономную. Экипаж
23
пилотируемого корабля, как и в случае с CST-100, может составлять семь человек. В
грузовой модификации корабль будет брать на борт четыре человека и две с половиной
тонны груза.
А в будущем «Дракон» хотят использовать и для полетов на Красную планету. Для
чего разработают специальную версию корабля - «Рэд драгон». Согласно планам
американского космического руководства, беспилотный полет аппарата на Марс
состоится в 2018-м году, а первый испытательный пилотируемый полет корабля США
рассчитывают осуществить уже через несколько лет.
Одна из особенностей «Дракона» - его многоразовость. После осуществления полета
часть энергетических систем и топливные баки будут спускаться на Землю вместе с
жилой капсулой корабля и могут быть вновь использованы для космических полетов. Эта
конструктивная способность выгодно отличает новый корабль от большей части
перспективных разработок. В ближайшем будущем «Дракон» и CST-100 будут дополнять
друг друга и выступать в роли «подстраховки». В случае, если один тип корабля по какойто причине не сможет выполнять поставленные перед ним задачи, другой возьмет на себя
часть его работы.
«Дракон» на орбиту вывели впервые в 2010-м году. Беспилотный испытательный
полет завершился успешно, и уже через несколько лет, а именно 25 мая 2012-го года,
аппарат пристыковался к МКС. На корабле к тому моменту не было системы
автоматической стыковки, и для её осуществления пришлось использовать манипулятор
космической станции.
Этот полет рассматривался в качестве первой в истории стыковки частного корабля
к Международной космической станции. Сразу оговоримся: едва ли «Дракон» и ряд
других космических кораблей, разрабатываемых частными компаниями, можно назвать
частными в полном смысле слова. Например, на разработку «Дракона» NASA выделило
1,5 млрд. долларов. Другие частные проекты также получают финансовую поддержку со
стороны NASA. Поэтому речь идет не столько о коммерциализации космоса, сколько о
новой стратегии развития космической отрасли, основанной на кооперации государства и
частного капитала. Некогда секретные космические технологии, ранее доступные лишь
государству, отныне - достояние ряда частных компаний, вовлеченных в сферу
24
космонавтики. Обстоятельство это — само по себе мощный стимул для роста
технологических возможностей частных компаний. К тому же такой подход позволил
устроить в частную сферу большое количество специалистов космической отрасли,
уволенных ранее государством в связи с закрытием программы «Спейс шаттл».
Когда речь идет о программе разработки космических кораблей частными
компаниями, едва ли не наибольший интерес представляет проект компании SpaceDev,
получивший название «Дрим Чейзер». В его разработке также принимали участие
двенадцать партнёров компании, три американских университета и семь центров NASA.
Этот корабль сильно отличается от всех остальных перспективных космических
разработок. Многоразовый «Дрим Чейзер» внешне напоминает миниатюрный «Спейс
шаттл» и способен осуществлять посадку, как обыкновенный самолет. И все равно
основные задачи корабля схожи с задачами «Дракона» и CST-100. Аппарат послужит для
доставки грузов и экипажа (до тех же семи человек) на низкую околоземную орбиту, куда
он будет выводиться с помощью ракеты-носителя «Атлас-5». В 2015-м планируется
подготовить к запуску его пилотируемую версию. Еще одна важная деталь. Проект «Дрим
Чейзер» создается на базе американской разработки 1990-х годов – орбитального самолета
HL-20. Проект последнего стал аналогом советской орбитальной системы «Спираль». Все
три аппарата имеют схожий внешний вид и предполагаемые функциональные
возможности. Отсюда вытекает вполне закономерный вопрос. Стоило ли Советскому
Союзу сворачивать наполовину готовую авиационно-космическую систему «Спираль»?
25
4.2. Российские разработки
В 2000-м году РКК «Энергия» начала проектирование многоцелевого космического
комплекса «Клипер». Этот многоразовый космический аппарат, внешне чем-то
напоминающий уменьшенный в размерах «шаттл», предполагалось использовать для
решения самых разнообразных задач: доставка груза, эвакуация экипажа космической
станции, космический туризм, полеты на другие планеты. На проект возлагались
определенные надежды. Из-за недостатка финансирования в 2006-м году проект был
закрыт. При этом технологии, разработанные в рамках проекта «Клипер», предполагается
использовать для проектирования «Перспективной пилотируемой транспортной системы»
(ППТС), также известной как проект «Русь».
Именно ППТС (конечно, это пока лишь «рабочее» название проекта), как полагают
российские специалисты, будет суждено стать отечественной космической системой
нового поколения, способной заменить стремительно устаревающие «Союзы» и
«Прогрессы». Как и в случае с «Клипером», разработкой космического корабля
занимается РКК «Энергия». Базовой модификацией комплекса станет «Пилотируемый
транспортный корабль нового поколения» (ПТК НК). Его главной задачей, опять-таки,
будет доставка грузов и экипажа на МКС. В отдалённой перспективе - разработка
модификаций, способных осуществлять полеты на Луну и выполнять продолжительные
исследовательские миссии. Сам корабль обещает стать частично многоразовым. Жилая
капсула может быть повторно использована после осуществления посадки. Двигательноагрегатный отсек – нет. Любопытная особенность корабля - возможность посадки без
использования парашюта. Для торможения и мягкого приземления на поверхность Земли
будет применяться реактивная система.
В отличие от «Союзов», взлетающих с территории космодрома «Байконур» в
Казахстане, новые корабли будут запускать с нового космодрома «Восточный»,
строящегося на территории Амурской области. Экипаж составит шесть человек.
Пилотируемый аппарат также способен брать груз - пятьсот килограммов. В беспилотной
версии корабль сможет доставлять на околоземную орбиту «гостинцы» посолиднее- весом
в две тонны.
Одна из основных проблем проекта ППТС - отсутствие ракет-носителей,
обладающих необходимыми характеристиками. Сегодня главные технические аспекты
космического корабля проработаны, но отсутствие ракеты-носителя ставит его
26
разработчиков в весьма затруднительное положение. Предполагается, что новая ракетаноситель станет технологически близкой к «Ангаре», разработанной ещё в 1990-е годы.
Как ни странно, но ещё одной серьёзной проблемой является сама цель
проектирования ППТС (читай: российская действительность). Россия едва ли сможет себе
позволить осуществление программ по освоению Луны и Марса, аналогичные по своим
масштабам тем, которые претворяют в жизнь США. Даже в случае успеха разработки
космического комплекса, скорее всего, его единственной реальной задачей будет доставка
грузов и экипажа на МКС. Но начало летных испытаний ППТС отложено до 2018-го года.
К этому времени перспективные американские аппараты, скорее всего, уже смогут взять
на себя те функции, которые сейчас выполняют российские корабли «Союз» и
«Прогресс».
Туманные перспективы
Современный мир лишен романтики космических полетов— это факт. Конечно, речь
не идет о запуске спутников и космическом туризме. За эти сферы космонавтики можно
не беспокоиться. Полеты на Международную космическую станцию имеют огромное
значение для космической отрасли, но срок пребывания МКС на орбите ограничен.
Станцию планируется ликвидировать в 2020-м году. Современный пилотируемый
космический аппарат – это, прежде всего, составная часть определенной программы. Нет
смысла разрабатывать новый корабль, не имея представления о задачах его эксплуатации.
Новые космические аппараты США проектируются не только для доставки грузов и
экипажей на МКС, но и с целью полетов на Марс и Луну. Однако эти задачи настолько
далеки от повседневных земных забот, что в ближайшие годы нам едва ли стоит ожидать
сколько-нибудь значительных прорывов в области космонавтики.
27
4.3. Перспективные разработки многоразовой ракеты
Российская космическая программа – это удивительные проекты, которые
достаточно перспективны и успешно проходят путь своего проектирования. В этой главе
речь пойдет о многоразовой ракетно-космической системе (МРКС-1), испытания модели
которой начались в ЦАГИ. Внешний ее вид напоминает многим многоразовые
космические корабли, такие как американский Space Shuttle или наш «Буран». Но внешнее
сходство, как это часто бывает в жизни, обманчиво. МКРС-1 – это полностью другая
система. В ней реализована принципиально другая идеология, которая качественно
отличается от всех прошлых реализованных космических проектов. По своей сути – это
многоразовая ракета-носитель.
Проект МРКС-1 – это частично многоразовая ракета-носитель вертикального взлета,
которая базируется на основе крылатой многоразовой первой ступени, разгонных блоков
и одноразовых вторых ступеней. Первая ступень выполняется по самолетной схеме и
является возвращаемой. В район старта она возвращается в самолетном режиме и
производит горизонтальную посадку на аэродромы 1-го класса. Крылатый многоразовый
блок 1-й ступени ракетной системы будет оснащаться маршевыми жидкостными
ракетными
двигателями
(ЖРД)
многоразового
использования.
В настоящее время в ГКНПЦ им. Хруничева полным ходом идут проектноконструкторские и научно-исследовательские работы по разработке и обоснованию
технического облика, а также технических характеристик многоразовой ракетнокосмической системы. Данная система создается в рамках федеральной космической
программы совместно со многими смежными предприятиями.
Однако поговорим немного об истории. К первому поколению многоразовых
космических аппаратов относятся 5 космических кораблей типа Space Shuttle, а также
несколько отечественных разработок серии БОР и «Буран». В этих проектах и
американцы, и советские специалисты старались построить многоразовым сам
космический корабль (последнюю ступень, которая непосредственно выводится в
космос). Цели данных программ были следующими: возвращение из космоса
значительного объема полезных грузов, уменьшение стоимости выведения в космос
полезной нагрузки, сохранение дорогостоящих и сложных космических аппаратов для
многократного применения, возможность проведения частых запусков многоразовой
ступени.
Однако 1-е поколение многоразовых космических систем оказалось не в состоянии
решить свои задачи с достаточным уровнем эффективности. Удельная цена доступа в
космос оказалась приблизительно в 3 раза выше по сравнению с обыкновенными
28
одноразовыми ракетами. В то же время возврат из космоса полезных грузов существенно
не вырос. Одновременно с этим ресурс использования многоразовых ступеней оказался
значительно ниже расчетного, что не позволяло применять данные корабли в плотном
графике космических запусков. В результате этого в наши дни и спутники, и космонавты
доставляются на околоземную орбиту с помощью одноразовых ракетных систем. А
возвращать с околоземной орбиты дорогостоящее оборудование и аппараты вообще
нечем. Лишь американцы сделали себе небольшой автоматический корабль Х-37В,
который спроектирован для военных нужд и имеет полезную нагрузку меньше 1 тонны.
Всем очевидно, что современные многоразовые системы должны качественно отличаться
от представителей 1-го поколения.
В России работы ведутся сразу по нескольким многоразовым космическим системам.
Однако совершенно очевидно, что самой перспективной будет так называемая
аэрокосмическая система. В идеальном варианте космический корабль должен будет
совершать взлет с аэродрома, как обыкновенный самолет, выходить на околоземную
орбиту и возвращаться назад, расходуя лишь топливо. Однако – это самый сложный
вариант, который требует большого количества технических решений и предварительных
исследований. Быстро данный вариант не может быть реализован ни одним современным
государством. Хотя у России и существует достаточно большой научно-технический задел
по проектам подобного рода. К примеру, «аэрокосмический самолет» Ту-2000, который
обладал достаточно детальной проработкой. Реализации данного проекта в свое время
помешал недостаток финансирования после развала СССР в 1990-е годы, а также
отсутствие ряда критически важных и сложных компонентов.
Существует также промежуточный вариант, в котором космическая система состоит
из многоразового космического аппарата и многоразовой же разгонной ступени. Работы
над подобными системами велись еще в СССР, к примеру, система «Спираль».
Существуют и гораздо более новые наработки. Но и данная схема многоразовой
космической системы предполагает наличие достаточно долгого цикла конструкторских и
исследовательских работ по многочисленным направлениям.
Поэтому основное внимание в России сосредоточено на программе МРКС-1. Данная
программа расшифровывается как «многоразовая ракетно-космическая система 1 этапа».
Несмотря на этот «первый этап», создаваемая система будет очень даже функциональной.
Просто в рамках достаточно большой общей программы по созданию новейших
29
космических систем данная программа обладает наиболее близкими сроками конечной
реализации.
Предлагаемая проектом МРКС-1 система будет двухступенчатой. Основное ее
предназначение – это выведение на околоземную орбиту абсолютно любых космических
аппаратов (транспортных, пилотируемых, автоматических) массой до 25–35 тонн, причем
как уже реально существующих, так и находящихся лишь в процессе создания.
Выводимый на орбиту вес полезной нагрузки больше, чем у «Протонов». Однако
принципиальным отличием от существующих ракет-носителей будет другое. Система
МРКС-1 не будет одноразовой. Ее 1-я ступень не будет сгорать в атмосфере или падать на
землю в виде набора обломков. Разогнав 2-ю ступень (является одноразовой) и полезную
нагрузку, 1-я ступень осуществит посадку, наподобие космических челноков ХХ века. На
сегодняшний день это наиболее перспективный путь развития космических транспортных
систем.
На практике этот проект является поэтапной модернизацией создаваемой сейчас
одноразовой ракеты-носителя «Ангара». Собственно, и сам проект МРКС-1 появился на
свет, как дальнейшее развитие проекта ГКНПЦ им. Хруничева, где совместно с НПО
«Молния» создавался многоразовый ускоритель 1-й ступени ракеты-носителя «Ангара»,
получивший обозначение «Байкал» (впервые макет «Байкала» был показан еще на МАКС2001). «Байкал» применял ту же автоматическую систему управления, которая позволила
советскому космическому челноку «Буран» совершить полет без экипажа на борту. Эта
система обеспечивает сопровождение полета на всех его этапах – от момента старта до
посадки аппарата на аэродром, данная система будет адаптирована и для МРКС-1.
В отличие от проекта «Байкала» МРКС-1 будет обладать не складными плоскостями
(крыльями), а установленными жестко. Такое техническое решение уменьшит вероятность
возникновения нештатных ситуаций при выходе аппарата на траекторию посадки. Но
испытанная недавно конструкция многоразового ускорителя еще будет претерпевать
изменения. Как отметил Сергей Дроздов, являющийся начальником отдела
аэротермодинамики высокоскоростных летательных аппаратов ЦАГИ, для специалистов
стали «неожиданностью высокие тепловые потоки на центроплане крыла, что,
несомненно, повлечет за собой изменение конструкции аппарата». В сентябре-октябре
текущего года модели МРКС-1 пройдут серию испытаний в трансзвуковой и
гиперзвуковой аэродинамических трубах.
30
На 2-м этапе реализации данной программы многоразовой планируют сделать и 2-ю
ступень, а масса выводимой в космос полезной нагрузки должна будет вырасти до 60
тонн. Но даже разработка многоразового ускорителя только 1-й ступени – это уже
настоящий прорыв в развитии современных космических транспортных систем. А самое
главное заключается в том, что Россия идет к этому прорыву, удерживая свой статус
одной из ведущих мировых космических держав.
На сегодняшний день МРКС-1 рассматривается как универсальное многоцелевое
средство, предназначенное для выведения на околоземную орбиту космических аппаратов
и полезных грузов разнообразного назначения, пилотируемых и грузовых кораблей по
программам освоения человечеством околоземного космического пространства,
исследованиям Луны и Марса, а также иных планет нашей Солнечной системы.
В состав МРКС-1 включается возвращаемый ракетный блок (ВРБ), являющийся
многоразовым ускорителем I ступени, одноразовый ускоритель II ступени, а также
космическая головная часть (КГЧ). ВРБ и ускоритель II ступени состыковываются друг с
другом по пакетной схеме. Модификации МРКС обладающие различной
грузоподъемностью (масса доставляемого груза на низкую опорную орбиту от 20 до 60
тонн) предлагается строить с учетом унифицированных ускорителей I и II ступеней с
применением единого наземного комплекса. Что в перспективе позволит обеспечить на
практике уменьшение трудоемкости работ на технической позиции, максимальную
серийность производства и возможность разработки на основе базовых модулей
экономически эффективного семейства космических носителей.
Разработка и постройка семейства МРКС-1 разной грузоподъемности на основе
унифицированных одноразовых и многоразовых ступеней, которые будут удовлетворять
требованиям, предъявляемым к перспективным транспортным космическим системам, и
способным с очень высокой эффективностью и надежностью решать задачи по запускам
как уникальных дорогостоящих космических объектов, так и серийных космических
аппаратов может стать очень серьезной альтернативой в ряду средств выведения нового
поколения, которые будут эксплуатироваться на протяжении длительного времени в ХХI
веке.
31
В настоящее время специалисты ЦАГИ уже успели оценить рациональную кратность
применения I ступени МРКС-1, а также варианты демонстраторов возвращаемых
ракетных блоков и необходимость их реализации. Возвращаемая I ступень МРКС-1
позволит обеспечить высокий уровень безопасности и надежности и полностью
отказаться от выделения районов падения отделяемых частей, что существенно повысит
эффективность исполнения перспективных коммерческих программ. Указанные выше
преимущества для России представляются крайне важными, как для единственного
государства в мире, имеющего континентальное расположение существующих и
перспективных космодромов.
В ЦАГИ полагают, что создание проекта МРКС-1 является качественно новым
шагом в области проектирования перспективных многоразовых космических
транспортных средств выведения на орбиту. Подобные системы полностью отвечают
уровню развития ракетно-космической техники XXI века и обладают существенно более
высокими
показателями
экономической
эффективности.
32
Заключение
В настоящее время имеются десятки проектов многоразовых транспортных
космических систем (МТКС) на разной стадии разработки. Важнейшие направления их
совершенствования: повышение надежности и экологичности, снижение удельной
стоимости выведения, повышение многоразовости и уменьшение числа ступеней РН,
интеграция планера с двигателем, снижение сухой массы РН, повышение экономичности
двигателей, сокращение сроков межполетной подготовки за счет упрощения наземного
обслуживания.
Существует
несколько
основных
барьеров,
препятствующих
развитию
МТКС: финансовый — очень велики первоначальные вложения в проекты систем,
требуется длительное и рискованное отвлечение ресурсов; маркетинговый — не
определено позиционирование на рынке космических услуг с точки зрения учета их
специфических свойств и перспектив развития; конструктивно-технологический —
отсутствует ряд технологий, обеспечивающих необходимые летно-технические
характеристики, надежность и безопасность.
Эти барьеры не означают порочность концепции многоразовых систем, а вызваны
объективным состоянием данного транспортного средства на начальном этапе развития.
В свое время неэффективными были паровоз, автомобиль и самолет. Пассажирские
самолеты стали самоокупаемыми намного позже первых полетов аэроплана братьев Райт.
Не поддаются экономическим оценкам оборонные аспекты. МТКС можно рассматривать
и как способ совершенствования Систем выведения и транспортных операций. Наконец,
никто не отменял понятия государственного престижа. Поэтому нет никакого сомнения,
что развитые страны в будущем успешно решат проблемы создания нового средства
выведения космических аппаратов.
33
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Википедия
https://ru.wikipedia.org
2. Космический плацдарм – научная база изучения космоса
http://galspace.spb.ru/index140.html
3. Многоразовые космические корабли – ближайшие перспективы
http://www.objectiv-x.ru/kosmicheskie-korablibuduschego/mnogorazovie_kosmicheskie_korabli__blizhayshie_perspektivi.html
4. Энциклопедия крылатого космоса
http://www.buran.ru/
5. Чудеса техники
«Космический корабль многоразового использования «Спейс Шаттл»
http://www.tiptoptech.net/shattl.html
6. Новосибирская открытая образовательная сеть НООС
«Многоразовые космические корабли»
http://director.edu54.ru/node/191626
7. Военное обозрение
«В России работают над созданием многоразовой ракеты»
http://topwar.ru/32531-v-rossii-rabotayut-nad-sozdaniem-mnogorazovoy-rakety.html
34
Приложение 1
Спейс Шаттл (Space Shuttle – «космический челнок»)
Технические характеристики
Страна
Назначение
Изготовитель
США
Многоразовый транспортный космический корабль
United Space Alliance: Thiokol/Alliant Techsystems (SRBs),
Lockheed
Martin (Martin
Marietta) —(ET)
Rockwell/Boeing (orbiter)
Основные характеристики
Количество ступеней
2
Длина
56,1 м
Диаметр
8, 69 м
Стартовая масса
2030 т
Высота на стартовой позиции 56,14 м
Масса полезного груза
29,5 т
Процент полезного груза от 1,4%
общего веса
Подъемная сила при старте
30 806 кН (3141тс)
Боковые ускортнели
Длина
50 м
Диаметр
3,71 м
Общая масса двух
1180 т
ускорителей
Тяга двигателей двух
25 500 кН (2600 тс)
ускорителей
Удельный импульс
269 с
Время работы
123 с
Внешний топливный бак
Длина
47 м
Диаметр
8,38 м
Масса при старте
756 т
Тяга на уровне моря
5252 кН (535,5 тс)
Удельный импульс
455 с
Время работы
480 с
Топливо
Жидкий водород
Масса топлива при старте
103 т
Окислитель
Жидкий кислород
Масса окислителя при старте 616 т
Орбитальный ракетоплан
Длина
37,24 м
Размах крыльев
23,79 м
Масса (без полезного груза)
68,5 т
Общая подъмная сила при
5306 кН (541 тс)
старте
Удельный импульс
316 с
Время работы
1250 с
Топливо
Метилгидразин (MMH)
Окислитель
Тетраоксид диазота (N2O4)
35
Приложение 2
Основные характеристики Многоразовой космической системы "ЭнергияБуран" (МКС 1К11К25)
Орбитальный корабль "Буран" (11Ф35):
Характеристики
Значение
Максимальная стартовая масса (в
105 (79,4)
первом полете), т
в т.ч.: запас окислителя
10,4
(кислород), т
запас горючего (циклин), т
4,1
Масса полезного груза, выводимого
в ОК на орбиту H=200 км:
с наклонением i=50.7 град., т
с наклонением i=97 град., т
с наклонением i=50.7 град.
(H=450 км), т
30 (27**)
16
?**
Посадочная масса ОК:
номинальная, т
82
максимальная, т
Масса полезного груза,
возвращаемого с орбиты в ОК:
87
РН "Энергия" (МКС в целом):
Характеристики
Значение
Стартовая масса МКС (масса
2375* (178,5)
перед отделением ОК), т
Масса ракеты-носителя, т
первая ступень (блок "А", 4 шт.), т
в т.ч.: запас окислителя
(кислород), т
запас горючего (керосин РГ1), т
вторая ступень (блок "Ц", 1 шт.), т
в т.ч.: запас окислителя
3
(кислород), т; (объем бака, м )
запас горючего (водород), т;
3
(объем бака, м )
Двигатель блока "А" (РД170, 11Д521):
тяга на уровне моря, тс
тяга а вакууме, тс
максимальная, т
20
номинальная, т
15 (13**)
удельный импульс на уровне
моря, с
удельный импульс в вакууме,
с
Двигатель блока "Ц" (4 шт. РД0120, 11Д122):
2
тяга на уровне моря, тс
Экипаж, человек:
на этапе летных испытаний
(при наличии катапультных кресел)
максимальный (без
катапультных кресел)
Объём кабины экипажа, м
3
до 10
73
Продолжительность полета:
номинальная, сут
максимальная (с
дополнительными баками), сут
Диапазон возможных наклонений
орбит, град
7
30
50,7...110
Высота орбиты:
рабочая круговая, км
250 ... 500
максимальная (при
максимальной заправке баков), км
1000
Перегрузки, g:
при выведении на орбиту
(максимальная)
при спуске в атмосферу (по
номинальной траектории)
Аэродинамическое качество:
2,95
1,6
тяга а вакууме, тс
удельный импульс на уровне
моря, с
удельный импульс в вакууме,
с
Геометрические характеристики
МКС:
общая длина, м
максимальная ширина (по
размаху крыла ОК), м
максимальная ширина
на установщике, м
Геометрические
характеристики РН в целом:
длина, м
максимальный поперечный
размер, м
Геометрические
характеристики первой ступени:
2270
1490,4
886,8
341,2
776,2
602,775
(552)
100,868
(1523)
740
806
308,5
336,2
147,6 (148**)
190 (200**)
353,2
454,7
58,765
23,92
24,50
58,765
17,65
длина, м
39,46
диаметр баков, м
3,92
36
на гиперзвуковых скоростях
при посадке
Максимальная величина бокового
маневра при спуске, км
Посадочная скорость:
средняя (при посадочной
массе 82т), км/ч
максимальная, км/ч
в первом полете, км/ч
1,5
5
1700
удельный импульс в вакууме,
с
58,765
7,75
312
первая ступень, полетов
10
360
вторая ступень, полетов
1
51-83, 97,
101-104, 110
263
Маршевый двигатель орбитального
маневрирования 17Д12:
тяга в вакууме, тс
Геометрические
характеристики второй ступени:
длина, м
диаметр баков (без
теплоизоляции), м
Кратность использования (ресурс):
8,8
Азимуты пуска, град.
Максимальная перегрузка в
полете, ед. g
Количество пусков в год (на
первом этапе)
3
6
362
Геометрические характеристики:
общая длина, м
36,37
в том числе фюзеляжа,
30,85
м
ширина фюзеляжа
5,50
(максимальная), м
размах крыла, м
23,92
2
площадь крыла, м
250
высота на стоянке, м
16,35
шасси, база/колея, м
12,79/7,00
длина отсека полезного
18,55
груза, м
диаметр отсека полезного
4,70?
груза, м
Кратность использования (ресурс),
100
полетов
Масса конструкции, т.
62**
Минимальное время подготовки к
20
повторному пуску, сут.
37
Приложение 3
ЧЕРТЕЖИ И СХЕМЫ
Рис. 1 Схема МКК «Спейс Шаттл»
38
Рис.2 МКК «Спейс Шаттл»
39
Рис. 3 МТКК «Энергия-Буран»
40
41