Илон Маск и все-все-все

22:02 19/05/2019
Комментарии 0 👁 535

Ранее в нашем журнале “Всё о Космосе” мы опубликовали статью “Одна ступень до орбиты”, в которой рассказали о том, что компания SpaceX надеется выполнить орбитальные тестовые полеты опытных образцов, осуществляя запуски одноступенчатого космического аппарата на орбиту.

Одноступенчатая космическая система (single-stage-to-orbit or SSTO – одна ступень до орбиты) – одноступенчатый космический корабль, способный достигнуть орбитальной скорости, стартуя с поверхности планеты, без использования отделяющихся частей. 

Илон Маск уточнил:|

‏— Технически Starship может выйти на орбиту, но без теплового щита, топлива для возврата и без посадочных опор. В итоге может, но не в многоразовой версии.

В этой связи мы решили, что будет уместно вспомнить статью Филиппа Терехова от 2014 года “Мечта о Single Stage To Orbit”:

Один из вариантов мечты об облегчении доступа в космос – это Single Stage To Orbit (SSTO). В теории, как обычно, всё красиво – изящные корабли разгоняются по взлетно-посадочной полосе, уходят в небо, разгоняются до космических скоростей, выходят на орбиту, выгружают полезную нагрузку, тормозят, и садятся на эту же взлетно-посадочную полосу. В реальности, опять же как обычно, различные проблемы, такие незаметные на стадии мечтаний и эскизного проектирования, привели к тому, что за всю историю космонавтики такие аппараты ещё не летали. В этом посте я бы хотел поговорить о том, почему так получилось. 

Наведем порядок в определениях

Прежде всего, необходимо сказать, что под “желанным SSTO” понимают обычно “SSTO+многоразовость”. Или “SSTO+многоразовость+крылья(самолётный взлёт/посадка)+окислитель из окружающего воздуха”. Дело в том, что создать одноступенчатую ракету, которая бы выводила небольшой груз на орбиту, сейчас не составит особых сложностей. Даже на рассвете космической эры это было возможно. Первая ступень МБР “Титан-2” могла вывести очень небольшую полезную нагрузку в космос, а МБР “Атлас” конструктивно была “почти-SSTO”. Но создание одноразовой одноступенчатой ракеты-носителя не имеет смысла, потому что она будет очень нерациональной.

Одноступенчатая ракета имела бы массу 100-150 тонн, и выводила бы в таком варианте не больше тонны.

В то же время двухступенчатая ракета с такой же ПН уложится в 50-70 тонн. Таковы интересные особенности формулы Циолковского.

Поэтому различные проекты SSTO практически всегда подразумевали многоразовость. Конструкторы надеялись выгадать на снижении эксплуатационных затрат то, что терялось на неэффективности одной ступени. Достаточно часто аппарат был крылатым, чтобы подъемная сила крыла помогала в полёте. Также достаточно часто на аппарате стояли необычные двигатели, используя уникальные характеристики которых, конструкторы надеялись спроектировать эффективный и выгодный носитель.

Немного теории

Рассмотрим различные предлагаемые идеи с точки зрения достоинств и недостатков каждого решения.

Многоразовость

Многоразовость сама по себе не является панацеей. Снижение затрат на строительство новых экземпляров носителя необязательно компенсирует затраты на подготовку вернувшегося из полёта носителя к следующему полёту. Один из постов цикла “облегчение доступа в космос” рассказывает грустную историю о программе “Спейс Шаттл”, экономическая проработка которой оказалась неверной.

Крылья

Крылья для космического аппарата тоже являются палкой о двух концах. С одной стороны, можно использовать их подъемную силу и производить управляемую посадку на аэродром. С другой стороны, крылья являются мертвым грузом вне атмосферы (а достаточно плотная для опоры атмосфера кончается удручающе быстро), нужно тратить дополнительное топливо на их разгон и торможение вместе с аппаратом, и нужно тратить дополнительную массу на теплоизоляцию крыльев, чтобы они не сгорели при торможении в атмосфере. Кроме этого, крылатый аппарат будет разгоняться по более пологой траектории, нежели вертикально стартующая ракета, что приведет к дополнительным потерям.

Использование кислорода атмосферы

Вполне логичная идея – зачем нам возить с собой окислитель, если мы можем набирать его из атмосферы в процессе полёта? Но реальность снова предъявляет свою цену. Воздушно-реактивные двигатели эффективны каждый в своём диапазоне скоростей, ставить много разных двигателей на один аппарат нерационально. А эпической сложности многорежимный двигатель SR-71 ясно говорит, что на текущем уровне техники это тоже не вариант. Ещё можно воздух охлаждать (в пределе – до жидкого кислорода), но и тут есть свои подводные камни. Холодильная установка предъявляет высокие требования к материалам, является бесполезной в космосе массой, что-то надо делать с азотом из атмосферы, а ещё охлаждение требует энергию, и эту энергию надо в каком-то виде возить с собой.

История

1)Atlas

Исторически первой и единственной реализованной в металле почти-SSTO стала МБР “Атлас”. Она была построена по “полутораступенчатой” схеме, и в процессе полёта сбрасывала хвостовой отсек с двумя боковыми двигателями, продолжая полёт на оставшемся центральном.

В таком варианте РН могла вывести на орбиту примерно 1400 кг при стартовой массе 120 тонн. В дальнейшем на ракету поставили сверху разгонные блоки (“Эйбл”, “Аджена” ,”Центавр”), увеличив полезную нагрузку, но, конечно же, потеряв право называть её SSTO.

Что любопытно, по такой же схеме был проект на базе “Сатурна-V“. Судя по всему, это был такой “даунгрейд” слишком мощного для околоземной орбиты “Сатурна-V”. Теоретически ещё можно было бы спасать хвостовую часть, но серьезных проработок этого, похоже, не велось.

Многоразовая ракета NEXUS была концепт-дизайном 1960-х годов (прим.ред журнала “Всё о Космосе”)

2)Aerospaceplane

Проект, разрабатывавшийся с 1958 по 1963 годы. Его оснащали разными двигателями, от двигателей со сжижением атмосферного кислорода до прямоточных ядерных. Для варианта со сжижением атмосферного кислорода действовала следующая схема: атмосферный воздух поступал в теплообменники, в которых циркулировало топливо – жидкий водород. В них из воздуха извлекался кислород, который затем подавался в буферный бак, из которого шёл в двигатель. В 1960 году даже был создан двигатель-демонстратор с тягой 12 килограмм, который успешно проработал пять минут. Из-за новизны технических решений проект был тихо закрыт в 1964 году.

3)Альтернативы Шаттла

Начало разработки “Спейс Шаттла” породила несколько альтернативных проектов, среди которых были несколько SSTO.

Очень необычно выглядящий проект многоразового SSTO с вертикальным стартом и посадкой.

Полная масса 2040 тонн, ПН на низкую околоземную орбиту 52,8 тонны

4)Martin Marietta Langley SSTO

Полная масса 1925 тонн, ПН на НОО 29,5 тонн. Вызывает недоумение, куда им столько двигателей, причем разных?

5)Boeing Langley SSTO

Были в проекте легкий вариант в 1180 тонн и тяжелый в 3438 тонн.

6)Boeing LEO VTVL SSTO

Ещё один дивный агрегат с вертикальным взлетом и посадкой. Стартовой и посадочной площадками должны были служить специальные искусственные озёра диаметром пять километров.

В разных вариантах стартовая масса от 5400 до 10300 тонн.

7)HOTOL

На фоне триумфа гигантомании 70-х, проект HOTOL выглядел практически реализуемым. Космоплан вменяемых размеров строился вокруг уникального двигателя RB545. О двигателе мало что известно, его зачем-то засекретили. Но принцип работы известен, это уже знакомая нам идея использования жидкого водорода для охлаждения атмосферного воздуха с извлечением из него кислорода.

Проект был закрыт в 90-х, когда стало ясно, что заднее расположение двигателя сдвинуло назад центр масс, что требует сместить максимального далеко назад центр давления для обеспечения устойчивости полёта. Говоря коротко, проектирование имело смысл начинать заново, а на это, похоже, уже не было ни денег, ни желания.

8)”Сивка” Феоктистова

У нас тоже думали про SSTO. Например, инженер и космонавт Феоктистов разработал проект ракеты “Сивка”, массой примерно полторы тысячи тонн. Ракета должна была вертикально взлетать и вертикально садиться.

9)X-30

В этом проекте решили использовать новый тип двигателя – гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный. Тепло, возникающее от трения об атмосферу предполагалось собирать теплоносителем под обшивкой и переправлять в камеру сгорания. Такой подход обещал сделать доступной скорость в 20 М, а это уже недалеко от первой космической. В различных вариантах X-30 разрабатывался как сверхскоростной пассажирский лайнер или носитель космических аппаратов. Полная масса составляла 136 тонн. В качестве топлива предполагалось использовать смесь жидкого и твердого водорода (шугу). В 1993 году проектирование было остановлено из-за сокращения бюджета и технических опасений (например, как будет самостоятельно взлетать аппарат, у которого есть только один двигатель, работающий на гиперзвуковых скоростях?)

10)DC-X

Прототип (масштабная модель) SSTO аппарата вертикального взлета и посадки. Успешно испытывался в 90-е, как и предыдущие проекты, пал жертвой сокращения финансирования. Есть видео и успешных полётов и аварии при посадке:

11)VentureStar

90-е годы, вертикальный взлёт, горизонтальная посадка. Прототип, масштабная модель X-33, был остановлен в 2001 году из-за проблем с конструкцией (микротрещины в баках жидкого водорода), проблем с устойчивостью и превышением веса, и, опять же, сокращением финансирования.

12)Roton

SSTO с использованием вертолётных лопастей. Лопасти, приводимые в действие реактивными двигателями на концах, должны были использоваться как основной двигатель при взлёте, работать компрессором на выведении и тормозить аппарат авторотацией на посадке. Прототип с лопастями, без двигателей и теплозащиты, успешно подлётывал, но компания обанкротилась в 2001 году.

13)Aquarius

Реализация концепции “большая простая дешевая ракета”. Одна ступень, по проекту допустимы до трети аварийных пусков. Стартовая масса 130 тонн, ПН 1 тонна, ракета спроектирована максимально простой и дешевой – один двигатель, вытеснительная подача, разве что использование жидкого водорода несколько выбивается из концепции. Фирма-разработчик подавала заявку на конкурс COTS (“Коммерческая система орбитальной транспортировки”), заявка не была отобрана, проект закрыт.

14)Skylon

Разрабатывается в Британии, судя по всему, людьми, имевшими отношение к HOTOL, потому что несет те же принципы.

В апреле этого года компания Reaction Engines, занимающаяся разработкой относительно компактного гибридного гиперзвукового ракетного двигателя SABRE, объявила об первых успешных испытаниях его системы предварительного охлаждения воздуха, проходящего по воздухозаборнику при сверхзвуковом полете. Как пишет Aviation Week, испытания состоялись в аэродинамической трубе с подогревом потока TF2 в Уоткинсе штата Колорадо. Состоявшиеся проверки разработчики признали успешными.

К сожалению, знание об истории различных проектов SSTO настраивает на пессимистический лад.

15) Одноступенчатая многоразовая ракета “Зея” (прим.ред. журнала “Всё о Космосе”):Для радикального снижения стоимости выведения грузов в космос «Лин Индастриал» предлагает создать ракету-носитель (РН) «Зея». Это одноступенчатая, многоразовая транспортная система с вертикальным взлетом и вертикальной посадкой. В ней используются экологически безопасные и высокоэффективные компоненты топлива: окислитель — жидкий кислород, горючее — жидкий водород.

Системы различаются по системе запуска и посадки:

Вертикальный взлет и вертикальная посадка (vertical takeoff and landing – VTVL), Вертикальный взлет и горизонтальная посадка (vertical takeoff, horizontal landing -VTHL), Горизонтальный взлет и горизонтальная посадка (horizontal takeoff and horizontal landing – HTHL).

Наиболее известные одноступенчатые космические системы :
VTVL: США Delta Clipper, Roton SSTO; Россия Корона;
Япония: Kankoh-maru
HTHL: Skylon,
VTHL: США Lockheed Martin X-33.

От журнала “Всё о Космосе”: Специалистам будет интересно

Концептуальный проект 1969 года

NASA MLLV: 226 тонн на орбиту в качестве SSTO, 907 тонн с ускорителями и инжекторным модулем. Использует двигатель с тягой 36,5 MN. Можно ознакомиться здесь

С проектом Phoenix можно ознакомиться здесь

Дорогие друзья! Желаете всегда быть в курсе последних событий во Вселенной? Подпишитесь на рассылку оповещений о новых статьях, нажав на кнопку с колокольчиком в правом нижнем углу экрана ➤ ➤ ➤

2+

Добавить комментарий