Какая она многоразовая ракета? (Техника 6)

Все украдено придумано до нас Маска.

Частная многоразовая ракета-носитель, SpaceX, Илон Маск, Колонизация Марса. Сколько романтических и благородных идей во всем этом. Однако, если вернутся из облаков на землю, неплохо бы понять перспективы таких многоразовых ракет-носителей, как Falcon, Спейс Шатл и прочих, и представить примерную схему истинно многоразовой ракеты.

Идеи тут озвученные не мои (куда мне до реальных проектантов космических кораблей), а Константина Петровича Феоктистова, участника разработки первого искусственного спутника Земли, руководителя проектированием кораблей «Восток» (на нём летал Гагарин), ведущего разработчика кораблей «Союз», «Союз Т», «Союз ТМ», «Прогресс», «Прогресс-М», а также орбитальных станций «Салют» и «Мир», первого в мире (1964 год) гражданского космонавта (беспартийного!) в состав первого группового экипажа на первом аппарате серии «Восход» (без скафандров, для них места не было :) ).

Идеи он свои озвучил  в книге «Траектория жизни» изданной в 2000 году. Любопытно, что у него есть еще одна книга «О звездолетах» советского (1982 год) издания. Текст воспоминаний отличается не сильно, однако в «Траектория жизни» добавлены личные, достаточно колкие мысли, не озвученные в советском издании из-за (как я понимаю) внутренней самоцензуры…  

Стоимость выведения на орбиту космических аппаратов пока очень велика. Это объясняется высокой стоимостью ракетных двигателей, дорогой системой управления, дорогими материалами, используемыми в напряженной конструкции ракет и их двигателей, сложной и, как правило, дорогостоящей технологией их изготовления, подготовки к пуску и, главным образом, их одноразовым использованием.

Доля стоимости носителя в общей стоимости запуска космического аппарата бывает разной. Если носитель серийный, а аппарат уникальный, то около 10%. Если наоборот - может достигать 40% и более.

К примеру стоимость доставки одного килограмма на орбиту с помощью французской ракеты "Ариан": примерно 5000-6000 долларов на килограмм.

Это очень дорого, и поэтому возникла мысль о том, чтобы создать ракету-носитель, которая, подобно воздушному лайнеру, взлетала бы с космодрома, совершала полет на орбиту и, оставив там спутник или космический корабль, возвращалась на космодром.

 

Первой практической реализацией такой идеи было создание системы "Спейсшаттл".

 

Несмотря на прекрасно выполненную работу, эту попытку едва ли можно назвать удачной.

По первоначальному проекту стоимость запуска системы не должна была превышать 10 миллионов долларов, и, соответственно стоимость доставки на орбиту 1 килограмма полезного груза предположительно составляла около 350-450 долларов, вместо 5000 при доставке полезного груза с помощью одноразовых ракет.

Но жизнь показала, что это слишком оптимистичная оценка: только эксплуатационные расходы (то есть без учета расходов на разработку машины, подготовку производства и прочего) и стоимость пусков системы составляют около 400 миллионов долларов и, соответственно, стоимость доставки 1 килограмма полезного груза на орбиту - около 13.000 долларов на килограмм (в 2.6 раз ДОРОЖЕ, чем при использовании одноразовой ракеты). То есть по сравнению с проектным замыслом стоимость доставки полезного груза на орбиту с помощью системы "Спейсшаттл" оказалась в 30-40 раз больше!

Главными причинами такого ошеломляющего "превышения сметы" явились применение значительного количества одноразовых элементов, очень сложная конструкция, собираемая в районе старта из четырех частей, требующая сложной подготовки и испытаний перед запуском, анализа хода полета и управления машиной в полете, недостаточная автоматизация работ на космодроме, неоправданно трудоемкая роль служб космодрома в процессе подготовки, испытаний, запуска и управления в полете. Во всех этих процессах должно участвовать большое количество высококвалифицированных и высокооплачиваемых специалистов. Следует, справедливости ради, сказать, что наша аналогичная система "Буран" не отличается от "Шаттла" в лучшую сторону.

Для "Спейсшаттл" была выбрана одна из компромиссных многоступенчатых схем.

На первой ступени работают двигатели двух твердотопливных ускорителей, и двигатели, питаемые водородом и кислородом из баков центрального блока. Причем водородно-кислородные маршевые двигатели размещаются в третьей ступени: в самолете.

После выгорания топлива ускорителей они отделяются и, можно сказать, начинается участок второй ступени, на котором продолжают работать двигатели, питаемые водородом и кислородом из центрального блока. Когда топливо в баках центрального блока кончается, маршевые двигатели выключаются, центральный блок сбрасывается.

Довыведение на рабочую орбиту осуществляется за счет работы корректирующего двигателя из баков с высококипящими компонентами третьей ступени.

Корпуса пороховых ускорителей после их отделения совершают полет по баллистической траектории, входят в атмосферу, тормозятся, у них раскрываются парашюты, и на парашютах они приводняются в океане.

Потом морские корабли буксируют их к суше, и они могут по идее после восстановительного ремонта и установки в них твердого топлива повторно использоваться. Предполагалось, что в этой схеме будет экономиться примерно 40% расходов на изготовление пороховых ускорителей. Но осуществлялось ли это после каждого пуска вопрос открытый.

Центральный блок после отделения от третьей ступени входит в атмосферу, часть его сгорает во время торможения в атмосфере, а остатки падают в океан. Так что после доставки груза на орбиту назад возвращается практически только третья ступень системы "Спейсшаттл", которой и является самолет "Шаттл".

«Шаттл» и «Союз-ТМ»…

На основании анализа недостатков одноразовых носителей и системы "Спейсшаттл" складывается представление о качествах, которыми должна обладать хорошая ракета-носитель, обеспечивающая доставку на орбиту полезного груза с минимальными затратами и с максимальной надежностью.

 

Она должна быть системой многоразового использования, способной совершать 100-1000 полетов. Многоразовость с целью снижения затрат на каждый полет (расходы на разработку и изготовление распределяются на количество полетов) и одновременно с целью повышения надежности выведения полезного груза на орбиту: каждая поездка на автомобиле и полет самолета подтверждают правильность его конструкции и качественное его изготовление. Следовательно, можно снижать затраты на страхование полезного груза и на страхование самой ракеты. По настоящему надежными и недорогими в эксплуатации машинами могут быть только многоразовые, такие, как паровоз, автомобиль, самолет.

 

Итак, какой должна быть по-настоящему многоразовая ракета.

1). Она должна быть одноступенчатая. Это требование, так же как и многоразовость, связано и с минимизацией расходов, и с обеспечением надежности. Действительно, если ракета многоступенчатая, то даже если все ее ступени благополучно возвращаются на Землю, то ведь перед каждым стартом их надо собирать в единое целое, и проверить правильность сборки и функционирования процессов разделения ступеней после сборки невозможно, так как при каждой проверке собранная машина должна рассыпаться. Не испытываемые, не проверяемые на функционирование после сборки, соединения становятся как бы одноразовыми. И пакет, соединенный узлами с пониженной надежно-стью, тоже становится в какой-то степени одноразовым.

Если ракета многоступенчатая, то расходы на ее эксплуатацию больше, чем на эксплуатацию одноступенчатой машины:

• Во-первых, для одноступенчатой машины не требуются расходы на сборку.
• Во-вторых, не нужно выделять на поверхности Земли районы приземления для посадки первых ступеней, а следовательно, не нужно платить за их аренду, за то, что эти районы не используются в хозяйстве.
• В-третьих, нет необходимости платить за транспортировку первых ступеней к месту старта.
• В-четвертых, заправка многоступенчатой ракеты требует более сложной технологии, большего времени. Сборка пакета и доставка ступеней к месту старта не поддаются простейшей автоматизации и, следовательно, требуют участия большего количества специалистов при подготовке такой ракеты к очередному полету.

2). Ракета должна использовать в качестве топлива водород и кислород, в результате горения которых на выходе из двигателя образуются экологически чистые продукты сгорания при высоком удельном импульсе. Экологическая чистота важна не только для работ, проводимых на старте, при заправке, в случае аварии, но и в не меньшей степени во избежание вредного воздействия продуктов сгорания на озоновый слой атмосферы.

Что касается проблемы "ракеты и экология", то, конечно, разговоры обывателей о влиянии запусков ракет на погоду не имеют под собой никакой почвы, такой статистики нет. Зато почти не вызывает сомнений, что запуски ракет влияют на целостность озонового слоя, защищающего нас и все живое от воздействия ультрафиолетового излучения Солнца. Продукты сгорания ракетного топлива могут, при соответствующем их составе, становиться катализаторами процессов распада озона. Но продукты сгорания таких компонентов топлива, как кислород плюс керосин, кислород плюс водород, практически не влияют на стабильность озонового слоя. А вот продукты сгорания твердого топлива являются очень активными катализаторами процессов распада озона. И при каждом запуске твердотопливных ракет, и при запуске американской системы "Спейсшаттл", с ее твердотопливными ускорителями первой ступени, в озоновом слое образуется дыра, которая потом постепенно затягивается. Так что в принципе использование твердотопливных ракет, и в том числе системы "Спейсшаттл", является экологически вредным.

Экологически вредными являются токсичные компоненты топлива типа тетроксид азота плюс несимметричный диметилгидразин, которое используется в ракете "Протон". Продукты сгорания такого топлива также являются очень токсичными. Работы во время заправки ракет, использующих такие топлива, опасны для жизни и требуют большой осторожности. Районы падения первой и второй ступеней ракет "Протон" заражаются остатками компонентов топлива в падающих баках, и жить в этих районах опасно.

3). Маршевый двигатель ракеты должен иметь достаточно оптимальную высотную характеристику, с тем чтобы на каждой высоте полета иметь максимальный удельный импульс.

4). Схема полета ракеты также должна быть наиболее оптимальной, требующей, с одной стороны, минимума топлива для выведения ракеты на орбиту, а с другой не требующая топлива для схода ракеты с орбиты, возвращения на космодром и, соответственно, не требующая установки тормозного или корректирующего двигателя.

5). Для осуществления полета, возвращения, посадки и подготовки к полету желательно привлекать минимальное количество специалистов. Этого можно добиться за счет использования достаточно мощного бортового вычислительного комплекса, обеспечивающего контроль и диагностику конструкции и оборудования ракеты, автономного и автоматического при необходимости переключения на резервные приборы и элементы оборудования, автоматическую диагностику при подготовке ракеты к запуску и при испытаниях корабля.

6). На самой ракете не должно быть экипажа, чтобы не тратить массы на самих пилотов, систему аварийного спасения, средства управления и на обеспечение их жизнедеятельности. При использовании ракеты для выведения пилотируемых кораблей система аварийного спасения, средства ручного управления и сам экипаж будут входить в массу корабля.

7). Конструкция ракеты должна иметь высокую степень совершенства, с тем чтобы масса полезного груза составляла не менее 3-4 % от стартовой массы ракеты.

Возникает вопрос: а можно ли выполнить столь жесткие требования? Это нелегко, но возможно, если ясно видеть цель и подчинять ей работу по созданию машины.

 

Сегодня представляются наиболее целесообразными три схемы многоразовых одноступенчатых ракет:

- с горизонтальным взлетом и с самолетной посадкой (типа рассматривавшегося в семидесятые-восьмидесятые годы английского проекта "HOTOL ").

Эту схему можно назвать революционной. Ее идея исходит из желания преодолеть основной недостаток современных ракет: в баках ракеты размещается не только горючее, но и окислитель (и его приходится тоже разгонять), хотя часть полета проходит в плотных слоях атмосферы, где кислорода вполне достаточно и его вроде бы логично использовать. До последнего времени всерьез в этом направлении не работали. И это не случайно: для использования кислорода на ракете, помимо жидкостных ракетных двигателей (большая часть полета все же проходит вне плотных слоев атмосферы), нужно устанавливать воздушно-реактивные двигатели. А они гораздо тяжелее жидкостных ракетных двигателей с той же тягой.

Однако, если бы удалось создать достаточно легкий комбинированный двигатель, который на взлете и в плотных слоях атмосферы работал бы в режиме воздушно-реактивного двигателя, а далее в режиме жидкостного реактивного двигателя, то это могло бы дать существенный выигрыш в массе носителя.

Эти идеи и легли в основу английского проекта многоразового воздушно-космического самолета " HOTOL".

- Более понятной и доступной для ракетчиков является схема одноступенчатой многоразовой ракеты-носителя с вертикальным стартом и с вертикальной посадкой (чисто ракетная схема).

Этой схемой занимаются в Соединенных Штатах.

Возврат первой ступени (опять многоступенчатость) американской ракеты-носителя Falcon 9 FT.

Сам Феоктистов К.П. начал заниматься этой схемой в середине семидесятых годов, но только в начале девяностых ему удалось более или менее связать концы с концами для ракет такого типа (ракеты типа "Сивка") и провести весьма приближенные оценки возможности их создания.

 

- с вертикальным взлетом и с самолетной посадкой (так сказать "крылатая ракета").

Макет «Байкала» — проекта многоразового ускорителя первой (опять многоступенчатость) ступени ракеты-носителя Ангара. По состоянию на 2016 год все работы по проекту остановлены.

Ракета-носитель с вертикальным взлетом и с самолетной посадкой может иметь достаточно большое аэродинамическое качество и, следовательно, достаточный маневр в боковом направлении, позволяющий ее использование не только при относительно малых наклонениях орбиты, но и для выведения КА на полярные и гелиосинхронные орбиты. Этот вариант отличается от ракет типа "Сивка" в лучшую сторону и тем, что не нужно иметь на борту топливо для торможения перед приземлением, уменьшается количество топлива на управление в процессе спуска с орбиты, так как по мере снижения начинают работать аэродинамические органы управления. Но зато придется вводить в конструкцию крылья, элероны, стабилизатор, аэродинамический щиток (для регулирования положения центра давления в процессе спуска), гидросистему управления с гидроприводами, тепловую защиту крыльев, шасси, ферму между баками, систему установки и отделения выводимого полезного груза и так далее.

К недостаткам крылатой ракеты относится ограничение стартовой массы величиной порядка 3000-4000 тонн, против возможных 16 000 тонн ракеты типа «Сивка».

Оценки, правда, достаточно приближенные, показывают, что крылатая ракета, стартующая вертикально, могла бы обеспечить выведение массы полезного груза около 2-3 % от стартовой массы ракеты (т.е. ~ до 100 тонн).

 

И вот тут стоит вернутля к Маску и его «Соколу».

Falcon («Сокол») — серия ракет-носителей, разработанных американской компанией SpaceX. Все ракеты серии — двухступенчатые и используют жидкостные ракетные двигатели, топливными компонентами для которых являются керосин и жидкий кислород.

Falcon 9.

Третья версия ракеты-носителя Falcon 9 FT (также известная под названием Falcon 9 v1.2), призвана обеспечить возможность возврата первой ступени после запуска полезной нагрузки на орбиту.

Первый запуск этой версии ракеты-носителя состоялся 22 декабря 2015 года (ракета Falcon 9 летает с 4 июня 2010 года). В ходе миссии первая ступень вернулась к месту запуска и успешно приземлилась на площадке Посадочной зоны 1.

В разработке компании SpaceX ракета-носитель тяжёлого класса Falcon Heavy.

По бокам структурно усиленной первой ступени Falcon Heavy будут присоединяться 2 ускорителя, каждый из которых является, по сути, первой ступенью для Falcon 9 FT с конусным композитным обтекателем на верхушке. Таким образом, компания SpaceX будет производить два разных типа первой ступени для своих ракет (усиленный и не очень усиленный). Как первая ступень, так и ускорители будут иметь полный набор элементов для управляемой посадки.

Итак, что мы можем понять из предложенной схемы?

1. Ракета-носитель двухступенчатая, и только первая ступень возращаемая. Вторая ступень одноразовая.
2. Falcon Heavy предполагает использовать сборку из 3-х возвращаемых разнотипных (усиленных и неусиленных) ступеней, плюс вторая одноразовая ступень.

Как видим, превышение сметы очень даже ожидаемо, особенно для Falcon Heavy, прежде всего за счет наличия одноразовых ступеней, и вынужденной сборки из-за двухступенчатости (и составности первой ступени Falcon Heavy).

По-сути, даже если удасться полететь отлетавшей ступени, ракета у Маска лишь слегка многоразовая…