|
Космонавтика Крылатый космодром В. А. СКОРОДЕЛОВ НПО «Молния» |
 В наши дни, когда поток грузов на околоземную орбиту и обратно непрерывно нарастает, необходимо создать более универсальные и дешевые космические транспортные системы, чем используемые сейчас. |
Особое место среди различных видов космической техники занимают транспортные системы, предназначенные не только для выведения полезных нагрузок на орбиту, но и последующего возвращения их на Землю.
Вполне естественно, что первыми космическими аппаратами такого типа стали пилотируемые корабли «Восток» в СССР и «Меркурий» в США. Необходимым условием при их создании было обеспечение возвращения экипажа на Землю. В дальнейшем в СССР и США появились орбитальные корабли подобного типа «Восход», «Джемини», «Союз», лунные «Аполлон» и «Зонд».
На их облик в значительной степени оказали влияние экстремальные условия, возникающие при входе и торможении в атмосфере Земли. Высокие температуры, перегрузки и жесточайшие весовые ограничения вынудили создателей этих объектов свести к минимуму количество их спасаемых частей. Это, как правило, герметичные отсеки экипажа с теплозащитой и необходимым минимумом систем, обеспечивающих управление на спуске, условия жизнедеятельности экипажа и мягкую посадку. Все остальные составные части космического корабля отделяются и сгорают в атмосфере. На первых этапах освоения космического пространства такая техника одноразового применения позволила решить ряд первоочередных задач. Естественно, стоимость полета такого корабля велика, поскольку в нее полностью входят расходы по созданию ракеты-носителя и космического корабля.
Первые реальные попытки снизить себестоимость транспортной операции были предприняты в середине 60-х годов в советском проекте «Спираль» и американском «Дайна-Сор». В обоих проектах в качестве пилотируемого космического корабля предполагалось применять малоразмерный орбитальный самолет многоразового использования, способный совершать посадку на взлетно-посадочные полосы аэродромов.
В американском проекте орбитальный самолет должен был выводиться на орбиту ракетой-носителем «Титан-III» (по подобной схеме сейчас ведутся работы во Франции по проекту «Гермес»). В Советском Союзе в 60-х годах разрабатывался проект «Спираль», где рассматривались два варианта выведения орбитального самолета на орбиту: ракетой-носителем «Союз» и вариант, предусматривающий старт орбитального самолета с ракетным ускорителем со сверхзвукового самолета-разгонщика. Проект был доведен до этапа создания и летных испытаний полноразмерного пилотируемого аналога орбитального самолета. Он поднимался на высоту самолетом-носителем «ТУ-95», после чего отделялся и совершал автономные полеты для отработки устойчивости и управляемости при спуске и посадке.
Проект «Спираль» разрабатывался в конструкторском бюро А. И. Микояна под руководством главного конструктора Г. Е. Лозино-Лозинского. Направлениями работ руководили Г. П. Дементьев, Я. И. Селецкий, Л. П. Воинов, Е. А. Самсонов, Ю. Д. Блохин, 3. Е. Берсудский.
|
В связи с развертыванием программы «Шаттл» в США работы по проекту «Дайна-Сор» были прекращены. Проект «Спираль» в СССР также был свернут. С созданием многоразовых систем, сначала «Шаттл» в США, а затем системы «Энергия-Буран» в СССР реальностью стали полеты крылатых орбитальных кораблей. Выполнив задачи орбитального полета, сложный и дорогостоящий корабль приземляется на аэродром, а после проведения регламентных работ он вновь выводится на орбиту. И хотя при этом стало возможным возвращать на Землю с орбиты грузы значительной массы, все же снизить удельную стоимость выведения полезной нагрузки не удалось в основном из-за большого количества одноразовых элементов и значительного объема работ по межполетному обслуживанию.
«Шаттл» и «Буран» - крупные космические корабли, рассчитанные на выведение больших полезных нагрузок. Очевидно, что для задач, требующих доставки на орбиту и возвращение малых и средних грузов, использовать эти мощные и дорогие средства невыгодно. Здесь требуется многоразовый орбитальный самолет меньшей грузоподъемности и с малой стоимостью эксплуатации.
 Пилотируемый экспериментальный самолет (полноразмерный аналог орбитального самолета «Спираль»). На нем в 70-х годах были совершены испытательные полеты в атмосфере |
Проект многоцелевой авиационно-космической системы, названной создателями «МАКС» , разработанный в СССР Научно-производственным объединением «Молния» министерства авиационной промышленности, вполне отвечает этим требованиям.
ОБЛИК СИСТЕМЫ «МАКС»
Авиационно-космическая система, о которой идет речь, является логическим продолжением проекта «Спираль».
Таким образом, «Спираль» - «Буран» - «МАКС» - это последовательная преемственная цепь проектов многоразовых космических транспортных систем. Она представляет собой двухступенчатый комплекс, где в качестве первой ступени многоразового использования применяется модифицированный самолет-носитель «АН-225-«Мрия», в настоящее время используемый как транспортировщик орбитального корабля «Буран» и ракеты-носителя «Энергия». При установке на нем специального проверочного и подготовительного оборудования он превращается в подвижную стартовую площадку, способную доставить вторую ступень на значительное расстояние от аэродрома базирования и произвести ее запуск, с задаными при этом начальными значениями векторов скорости и высоты.
Вторая ступень состоит из орбитального самолета многоразового использования и одноразового внешнего топливного бака, заправленного топливом для маршевых ракетных двигателей орбитального самолета. Отделившись от самолета-носителя, она совершает автономный полет, подобный полету обычных ракет-носителей, по траектории выведения на орбиту Земли. При достижении скорости, близкой к орбитальной, маршевые двигатели выключаются, и внешний топливный бак, отделившись от орбитального самолета, входит в плотные слои атмосферы и практически полностью сгорает, а сам самолет, используя собственное топливо, выходит на расчетную орбиту и выполняет там поставленные перед ним задачи. После завершения орбитальных операций он направляется к одному из аэродромов базирования и совершает посадку на взлетно-посадочную полосу. Во время полета в атмосфере самолет может за счет использования своих хороших аэродинамических характеристик значительно изменять направление полета в атмосфере и приземляться на аэродромах, находящихся в этот момент далеко от плоскости орбиты. Таким образом, применение в проекте «МАКС» традиционных авиационных крыльев на первой и последнеи ступенях позволяет не только сделать их элементами многоразового использования, но и значительно повысить маневренность системы при выведении на орбиту и возвращении на Землю. Макет комплекса «Спираль» - одного из первых проектов авиационно-космических систем
Однако существует возможность еще более повысить эффективность применения этой системы. Речь идет о создании дополнительно ее грузового варианта. Если в основной модификации, т. е. при выведении на орбиту с наклонением 51° космического самолета, в его грузовом отсеке может располагаться груз до 7 (в беспилотном варианте - до 8 т), то в грузовом варианте система может вывести на ту же орбиту полезную нагрузку в 17 т. Таким образом, мы видим, что разработанная система в целом способна решить задачу, стоящую перед подобными средствами - снизить стоимость эксплуатации. Можно с уверенностью сказать, что удельная стоимость выведения единицы полезной нагрузки будет в 5-10 раз ниже, чем у существующих систем. Схема грузового варианта «МАКС». На самолете-носителе установлена одноразовая вторая ступень, состоящая из топливного бака, маршевой двигательной установки и большой полезной нагрузкой, закрытой обтекателем
| Компоновочная схема орбитального самолета «МАКС», предназначенного для доставки на орбитальную станцию грузов и космонавтов или для выполнения аварийно-спасательных операций |
ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ «МАКС»
Как и любая космическая транспортная система «МАКС» должна решать целый ряд стандартных задач: доставка полезных грузов на орбиту, операции на ней, возвращение на Землю грузов и экипажей. С помощью орбитальной ступени «МАКС» можно также снимать с орбиты вышедшие из строя спутники, и, заменив новыми, возвращать неисправные экземпляры на Землю для ремонта, и, возможно, повторного использования. Это позволит пересмотреть программы запуска ряда спутников и уменьшить их общее количество за счет исключения резервных экземпляров.
В отсеке полезного груза орбитального самолета могут устанавливаться различные приборы для разведки природных ресурсов, оперативного экологического контроля, наблюдений за состоянием растительности Земли, астрономических исследований и решения других задач. Причем это оборудование может использоваться многократно в дальнейших полетах.
Следующая важная задача - транспортно-техническое обеспечение орбитальных станций. В настоящее время в СССР эту задачу выполняют пилотируемый орбитальный корабль «Союз-ТМ» и беспилотный «Прогресс-М». Первый доставляет на станцию экипаж и небольшое количество груза, второй - оборудование, расходуемые материалы и топливо. В спускаемом аппарате корабля «Союз» возвращается на Землю только экипаж и очень небольшая полезная нагрузка, а корабль «Прогресс» полностью сгорает при входе в атмосферу. Очевидно, что задачу обеспечения станций более эффективно может выполнить «МАКС». Для этих целей орбитальный самолет доукомплектовывается специальным оборудованием, устанавливаемым в отсеке полезного груза. В его состав входит стыковочный модуль, вторая герметичная кабина для транспортировки пассажиров и грузов или топливный модуль для доставки на обслуживаемый объект топлива и расходуемых материалов.
В отличие от «Союза» орбитальный самолет способен возвращать на Землю вместе с экипажем и значительные полезные нагрузки в виде ценного оборудования и продукции, полученной на орбитальной станции. Работы на исследовательском комплексе «Мир», на предыдущих орбитальных станциях, на автоматических космических аппаратах «Фотон» и на американских кораблях «Шаттл» подтверждают перспективность уникальных космических технологий по производству в условиях невесомости новых высококачественных полупроводниковых материалов, стекол, сплавов, лекарственных препаратов и кристаллов белков. Но судьба промышленного освоения этих технологий опять-таки зависит от стоимости транспортных операций, так как выполняя лишь уникальные эксперименты по получению этих ценных материалов, невозможно достичь самоокупаемости такого производства. При использовании авиационно-космической системы для доставки на орбиту полуфабрикатов и возврата готовой продукции эти космические производства могут стать рентабельными, следовательно, количество функционирующих на орбите орбитальных станций может значительно увеличиться.
Другая модификация орбитального самолета - это малая орбитальная лаборатория (МОЛ). Она похожа по компоновке на орбитальный самолет транспортно-технического обеспечения, но эксплуатируется без стыковочного модуля. Во второй герметичной кабине устанавливается различное экспериментальное оборудование для научных исследований в интересах науки, медицины, земных и космических технологий.
Учитывая небольшую стоимость пуска, может оказаться более выгодным, чем на долговременных орбитальных станциях, вести на борту подобной орбитальной лаборатории промышленное производство высококачественных материалов, имеющих короткий техногический цикл и большой объем сменного оборудования. Там же можно будет отрабатывать и испытывать оборудование дорогих космических объектов, для которого полностью моделировать условия космического полета на Земле невозможно или слишком дорого.
Еще одной областью применения орбитального самолета транспортно-технического обеспечения может стать система аварийного спасения экипажей пилотируемых космических объектов. Самолет-спасатель укомплектовывается тем же стыковочным модулем, второй герметичной кабиной, дополнительно оснащается специальным спасательным оборудованием и заправляется большим количеством топлива для обеспечения высоких маневренных характеристик. Этот орбитальный корабль должен стартовать в максимально короткий срок, быстро достигнуть орбиты аварийного объекта и состыковаться с ним. Особенно нужны будут самолеты-спасатели, когда в недалеком будущем, сложную космическую технику начнут осваивать многие страны мира и в околоземном космическом пространстве появится большое количество пилотируемых космических аппаратов. Возможно, следует создавать и эксплуатировать такую систему аварийного спасения на международной основе.
Возможно, что при создании авиационно-космической системы и в ходе ее эксплуатации появятся и другие научные и народнохозяйственные задачи.
И ВСЕ ЖЕ, ВЕРТИКАЛЬНО ИЛИ ГОРИЗОНТАЛЬНО?
Многоцелевая авиационно-космическая система выгодно отличается от вертикально стартующих систем выведения («Шаттл», «Энергия» - «Буран», «Союз» и др.), которые имеют ряд существенных недостатков. Первый из них заключается в значительном уменьшении полезной нагрузки при выведении ее на орбиту, имеющую наклонение ниже, чем географическая широта расположения старта. Дело в том, что в процессе выведения сразу можно получить наклонение орбиты не ниже географической широты старта, а уже затем в случае необходимости плоскость траектории космического аппарата с большими затратами топлива повернуть, уменьшая наклонение. О «стоимости» такого маневра дает представление следующий пример орбитального корабля «Шаттл». Восемь тонн имеющейся у него номинальной заправки топлива для двигателей орбитального маневрирования может хватить на поворот плоскости орбиты примерно лишь на 2°. Для нашей страны, где при прямом выведении на орбиту получается минимальное наклонение приблизительно 51°, этот недостаток еще более существен, чем для США, имеющих космодром на 28° с. ш. Рисунок поясняет, почему в СССР вертикально стартующие с космодрома Байконур космические аппараты не запускаются напрямую на орбиты с наклонением ниже 51°. Падение отработавших ступеней РН допускается только на территории СССР или в океан. Наклонение красной орбиты 51° синей 65°
Авиационно-космическая система выполняет подобную задачу по другой схеме. Взлетев с аэродрома базирования, расположенного в высоких широтах, самолет-носитель со второй ступенью летит на юг до достижения широты, соответствующей заданному наклонению, разворачивается на восток и производит пуск второй ступени, которая сразу выводится в плоскость заданной орбиты.
Другой недостаток вертикально стартующих систем - низкая оперативность выполнения задачи сближения или стыковки запускаемого с Земли корабля с каким-нибудь объектом на орбите. Это относится и к полетам на орбитальную станцию, и существенно при аварийном спасении экипажа космического корабля или станции с помощью специального корабля-спасателя, и для осуществления международного контроля за деятельностью в околоземном космическом пространстве.
Законы изменения величины полезной нагрузки, выводимой горизонтально и вертикально стартующими системами практически совпадают для орбит с наклонением >51°, но вторая ступень, стартующая с самолета-носителя на наклонения <51°, выводит большие полезные нагрузки, так как в этом случае не требуется больших затрат топлива на поворот плоскости орбиты
ОПЕРАТИВНАЯ ВСТРЕЧА НА ОРБИТЕ. ВОЗМОЖНО ЛИ?
Предположим, что на каком-нибудь космическом объекте произошла авария. Как скоро экипаж спасателей сможет попасть на его борт? Оказывается, время, требующееся для этого, гораздо больше того, которое необходимо для подготовки старта и выхода корабля-спасателя на орбиту Земли. Законы небесной механики неумолимы: для того чтобы вертикально стартующий космический корабль-спасатель вышел на аварийную орбиту, он, во-первых, должен в момент старта оказаться в плоскости орбиты аварийного объекта (а эта плоскость постоянно смещается относительно Земли). Во-вторых, взаимное расположение спасателя и аварийного объекта в плоскости орбиты должно быть строго определенным. Процесс совмещения орбит называется обеспечением компланарности, а ожидание необходимого взаимного расположения объектов - фазированием.
Для того чтобы обеспечить компланарность и фазирование, может потребоваться до 5 сут. Из этого можно сделать вывод, что вертикально-стартующие системы практически непригодны для выполнения задачи оперативной встречи на орбите.
Авиационно-космическая система задачу встречи с другим объектом на орбите выполняет значительно быстрее.
После получения сообщения об аварии система взлетает с аэродрома базирования и движется в сторону плоскости орбиты, затем самолет-носитель разворачивается против вращения Земли и держится в плоскости орбиты в течение времени, необходимого для обеспечения фазирования (время не превышает периода обращения аварийного объекта, которое для орбиты высотой 400 км равно примерно 1,5 ч.). Затем производится пуск, и, минуя промежуточную, сразу осуществляется переход на орбиту аварийного объекта и сближение с ним. Схема полета корабля-спасателя к аварийному объекту: а) в случае вертикального старта; б) при старте с самолета-носителя
Для наглядности в случае горизонтального старта процессы обеспечения компланарности и фазирования показаны последовательно, а в реальных полетах они будут происходить одновременно, а значит и с меньшими затратами времени.
ЧТО ДАЛЬШЕ?
Проблеме создания рентабельной космической транспортной системы уделяется много внимания в некоторых развитых странах. Практически все проекты включают в свой состав орбитальный самолет многоразового использования. Часть их предусматривают в качестве первой ступени использование одноразовых ракет-носителей, в других выбраны схемы с применением самолетов-носителей, есть проекты и одноступенчатых воздушно-космических самолетов. В каждом направлении есть немало нерешенных технических проблем.
Взлет самолета АН-225 «Мрия» с орбитальным кораблем «Буран»
Фото Бродского Ю. В.
Например, во Франции разрабатывается система «Ариан-V» - «Гермес», где пилотируемый орбитальный самолет «Гермес» выводится на орбиту одноразовой ракетой-носителем «Ариан-V» (Земля и Вселенная, 1989, № 2, с. 48).
ФРГ предлагает проект двухступенчатой горизонтально-стартующей системы «Зенгер» с гиперзвуковым самолетом-разгонщиком в качестве первой ступени и полностью многоразовой второй ступени (орбитальный самолет «Хорус», оснащенный маршевыми ракетными двигателями и баками (с топливом для них). Проект предусматривает также беспилотную модификацию «Хорус М» для выведения больших полезных нагрузок.
Аналогичные работы ведутся в США (проект «НАСП»), в Великобритании (проект «Хотол»), Индии («Гиперплейн»), Японии («Хоуп») (Земля и Вселенная, 1989, № 1, с. 69).
Есть и реальные результаты: в США успешно проведены первые испытания системы выведения небольших нагрузок, состоящей из самолета-носителя «В-52» и второй крылатой ракетной ступени «Пегас», выводящей на орбиту небольшие спутники. В условиях жесткой конкуренции на мировом рынке, многие фирмы развитых государств проявляют