СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ И СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ КА ЗА РУБЕЖОММногоразовые транспортные космические системы
В настоящее время в мире существует одна действующая многоразовая космическая система - американская Space Shuttle.
Регулярные эксплуатационные запуски МТКС начались в ноябре 1982 г. По состоянию на 1 января 1999 г. осуществлено 93 полета, один из которых (двадцать пятый) завершился катастрофой МТКС с утратой орбитальной ступени (ОС) Challenger.
МТКС Space Shuttle представляет собой двухступенчатую ракетную систему с двумя твердотопливными ускорителями. Маршевые двигатели первой ступени размещены на второй ступени (она же ОС), что обеспечивает их многократное использование. Орбитальная ступень обладает аэродинамическим качеством и после возвращения из космоса производит горизонтальную посадку на аэродром.
При проектировании системы предполагалось многократное использование практически всех ее элементов. На первом этапе должно было обеспечиваться спасение на парашютах твердотопливных ускорителей для их дальнейшего восстановления и повторного использования. В перспективе предполагалось спасение основного топливного бака. Однако на практике этого не получилось. Единственным полностью многоразовым элементом системы является орбитальная ступень. В настоящее время в эксплуатации находится 4 ОС (Atlantis, Discovery, Columbia, Endeavour).
Space Shuttle обеспечивает доставку ПН массой 24,9 т на круговую орбиту высотой 200 км и наклонением 28,5°, а также возвращение с орбиты грузов массой до 15 т.
Следует отметить, что не только по многоразовости использования МТКС не были реализованы проектные требования, но и сама концепция эксплуатации орбитальных средств, закладывавшаяся при проектировании МТКС и предполагавшая возвращение с орбиты крупных полезных грузов с целью их дальнейшего использования,не получила практического воплощения. МО США отказалось от использования МТКС для выведения тяжелых КА военного назначения. И это при том, что габариты и грузоподъемность системы разрабатывались именно под требования военных. До восьми полетов в год, совершаемых в основном в интересах NASA, - это все, что дает в настоящее время МТКС.
|
|
|
Доля полетов МТКС в общем числе запусков США
|
В такой ситуации понятия самоокупаемости или рентабельности применительно к МТКС теряют какой-либо смысл. Стоимость выведения 1 кг полезного груза с помощью Space Shuttle является самой большой и превышает аналогичные показатели одноразовых РН почти в 2 раза. Тем не менее эксплуатацию Space Shuttle планируется продолжать, как минимум, до 2012 г.
При всех своих недостатках МТКС Space Shuttle, безусловно, является шагом вперед. Несколько преждевременное появление этой системы на свет, вызванное скорее политическими мотивами, чем технико-экономическими причинами, нисколько не умаляет достоинств, обеспечиваемых многоразовостью использования средств выведения. Поэтому работы по созданию многоразовых транспортных космических систем не только не ослабевают, но и получают с каждым годом все большее развитие как в США, так и в других странах.
Какие же проекты разрабатываются в интересах создания перспективных МТКС,которые будут использоваться в XXI в.?
Программа RLV (Reusable Launch Vehicle) осуществляется NASA в соответствии с директивой NSTP. В ходе реализации этой программы предполагается создать многоразовый автоматический транспортный аппарат, который позволил бы существенно сократить затраты на выведение полезных нагрузок в космос.
Оценки стоимости всей программы неоднозначны и колеблются от 6 до 36 млрд дол. До 80 % финансирования NASA предполагает осуществить за счет частных фирм, оплачивая лишь разработку новых технологий,связанных с высокой степенью технического риска.
Если надежность новой МТКС,созданной в ходе реализации программы RLV, составит 0,98,то NASA и МО США будут постепенно отказываться от использования для запуска своих объектов МТКС Space Shuttle и одноразовых РН.
Создание и испытание технологической базы для перспективных МТКС осуществляется в рамках программ Х-34 и Х-33.
В рамках программы Х-34 первоначально предполагалось создать прототип двухступенчатой многоразовой ТКС воздушного базирования для выведения легких КА (0,54... 1,13 т). Контракт на разработку системы был заключен в 1995 г.
В ходе работ проект неоднократно подвергался изменениям. В 1997 г. NASA совместно с компанией OSC утвердили технический проект экспериментального сверхзвукового аппарата, предназначенного для отработки технологий перспективных МТКС. Аппарат Х-34 массой 20,3 т,имеющий длину 17,78 м и размах крыла 8,45 м, будет сбрасываться с самолета L-1011. После сброса происходит включение ЖРД и аппарат со скоростью, соответствующей М = 8, на высоте 76 км совершает в течение 15 мин полет по петле на дальность 820 км с последующей посадкой на ВПП.
|
|
|
Экспериментальный аппарат Х-34
|
Демонстрационные полеты Х-34 должны были начаться в 2000 г. Предполагается выполнить 27 полетов.
Х-33 - масштабный демонстратор технологий многоразового перспективного носителя VentureStar, который будет эксплуатироваться в начале нынешнего столетия. Разрабатывается по заказу NASA компанией Lockheed Martin.
|
|
|
Экспериментальный МТКК Х-33
|
При проектировании нового аппарата корпорация LM широко использовала научно-технический задел, созданный ею при работах по военному проекту TAV, a также собственные проработки одноступенчатой транспортной системы Aero-Ballistic Rocket.
Планируется совершить 15 полетов Х-33 с авиабазы Эдварде (штат Калифорния), где уже оборудована стартовая позиция. Х-33 будет совершать суборбитальные полеты на большой высоте со скоростью, соответствующей М < 15, имитируя условия выведения на орбиту.
На аппарате используется металлическая теплозащита, за исключением носа,передних кромок килей и рулей,где устанавливается углерод-углеродный композиционный материал.
Среди других революционных технологий - линейный двигатель Linear Aerospike,a также бак жидкого кислорода из композиционных материалов.
В общей сложности NASA планирует израсходовать в ближайшие три-четыре года на программы Х-34 и Х-33 около 1 млрд дол.
По программе создания перспективной МТКС корпорация LM предложила аппарат вертикального взлета и горизонтальной посадки VentureStar. В качестве аэродинамической схемы выбран "несущий корпус" с двумя вертикальными стабилизаторами. Для обеспечения управления полетом на участке спуска предусматриваются поворотные закрылки.
Характеристики МТКС VentureStar будут уточняться в зависимости от результатов экспериментов с Х-34 и Х-33. По предварительным данным аппарат может иметь длину 37,2 м, ширину - 37 м, высоту - 8 м. При стартовой массе 725 т система должна обеспечить выведение на низкую околоземную орбиту грузов массой 18 т. Длина отсека полезного груза составляет 13,5 м, ширина - 4,5 м.
В случае принятия решения о создании полномасштабного корабля VentureStar начало его эксплуатации фирма Lockheed Martin обязуется обеспечить к 2004 г. Ежегодно планируется осуществлять до 50 полетов VentureStar. Низкая удельная стоимость выведения грузов, равная 2200 дол./кг, должна обеспечить фирме захват значительного сектора рынка коммерческих запусков.
В рамках программы RLV изучается возможность создания стартового комплекса за пределами США. Основными критериям] при этом являются близость к экватору и большая высота на уровнем моря.
Другая программа - Future-X - предусматривает проведения проектно-конструкторских разработок по элементной базе пepcпeктивных транспортных космических систем.
Эта программа должна стать следующим этапом работ NAS по созданию новых технологий после реализации таких проектов как Х-33 и Х-34. Если целью указанных проектов является разр экспериментальных прототипов одноступенчатых МТКС для доставки грузов на низкие околоземные орбиты, то новая программа должна охватить всю инфраструктуру, обеспечивающую транспортировку космических объектов на всевозможные рабочие орбиты, включая геостационарные.
Программа Future-X предполагает выполнение работ по трем основным направлениям:
разработка и наземные испытания основных компонентов транспортных систем (топливных баков, двигательных установок, теплозащитных покрытий, электронного оборудования, программных средств, многоразовых межорбитальных буксиров и т.д.), а также некоторых элементов конструкции самих космических аппаратов;
отработка новейших высокоэффективных технологий, создание которых связано с высокой степенью риска (проект Pathfinder);
проведение испытательных полетов экспериментальных образцов транспортных систем с отработкой методов оперативного проведения наземного обслуживания (проект Trailblazer).
Создаваемые по программе Future-X экспериментальные аппараты для демонстрационных испытаний должны занять промежуточное положение между опытными исследовательскими образцами легкого и тяжелого классов. Изделия, относящиеся к первому классу, создаются в достаточно непродолжительные сроки и предназначаются для отработки какого-либо одного элемента; их испытания проводятся примерно один раз в год. Аппараты тяжелого класса используются для выполнения комплексной, рассчитанной на несколько лет программы испытаний; в ходе ее реализации проводятся мероприятия по минимизации продолжительности операций послеполетного обслуживания и предстартовой подготовки изделий.
Создаваемые в рамках этой программы технологии могут обеспечить снижение удельных затрат на выведение грузов в космос до 888 дол./кг. Разработанные с применением новейших технологий гиперзвуковые аппараты смогут совершать трансокеанские перелеты с посадкой на обычные авиационные аэродромы за несколько часов. Поэтому программа вызывает интерес частных фирм.
Компанией Boeing в рамках программы Future-X будет осуществляться разработка перспективного технического аппарата ATV (Advanced Technology Vehicle). Многоразовый беспилотный аппарат ATV будет служить летающей лабораторией для отработки новейших технологий, включая перспективную конструкцию фюзеляжа и двигательной установки, и способов эксплуатации, которые могут оказаться пригодными для самых разных летательных аппаратов. Аппарат ATV должен продемонстрировать преимущества эксплуатации так называемых "зеленых компонентов" топлива на базе, например, перекиси водорода и керосина, которые мало вредят экологии.
Система ATV, создаваемая на базе космического маневрирующего аппарата Х-48, имеет дину 8,34 м, размах крыла 4,32 м и стартовую массу 5580 кг. В отличие от аппаратов Х-33 и X-34,ATV будет летать со скоростью,соответствующей М = 25, т.е. выходить на орбиту и безопасно возвращаться с нее. ATV сможет выполнить более 40 орбитальных полетов.
Летные испытания начнутся в 2001 г. В начале 2002 г. планируется вывести ATV на орбиту в отсеке полезного груза корабля Space Shuttle. По программе Future-X Pathfinder должен быть создан первый экспериментальный ЛА, который сможет совершить полностью управляемый полет как по орбите, так и в атмосфере.
Летные испытания по программе Future-X рассчитаны по крайней мере на 36...48 месяцев, после чего NASA предполагает использовать этот ЛА для демонстрации последующих технологий.
Общая стоимость проекта оценена приблизительно в 150 млн. дол. Вклад NASA и Boeing равноценен.
Компания Kistler Aerospace (Керкленд, шт. Вашингтон) разрабатывает беспилотную двухступенчатую полностью многоразовую транспортную космическую систему К-1.
Стартует К-1 вертикально, а мягкая посадка ступеней осуществляется с помощью парашютов и воздушных мешков. При этом затраты на выведение 1 кг полезного груза должны быть в два раза меньше,чем у существующих одноразовых РН.
Разработкой и изготовлением К-1 занимается фирма Northrop Grumman.
Стартовая масса К-1 составит 220 т. Масса полезного груза, выводимого на околоземную орбиту высотой 720 км и наклонением 37°, достигает 3,2 т. Система рассчитана на 100-кратное применение.
Каждая ступень системы К-1 будет работать на жидком кислороде и керосине. На первой ступени предполагается использовать три российских двигателя НК-33,а на второй ступени - их усовершенствованный вариант НК-43. Двигатели были изготовлены в 1970-х гг. НПО "Труд" (ныне НТК "Двигатели НК") для советского носителя H1.
Первая ступень обеспечивает выведение МТКС до высоты 30 км, а затем,после отделения,возвращается в район старта,где совершает мягкую посадку. Вторая ступень доставляет ПН на орбиту, после чего также производит мягкую посадку.
Стартовый комплекс предполагается разметить на территории ядерного полигона в Неваде. Для проведения испытаний и размещения посадочных площадок выбран полигон Вумера (Австралия).
Первый старт К-1 намечался на 2000 г.,более реальными сроками являются 2001 - 2002 гг. Тем не менее у проекта К-1 шансы на успех являются наиболее высокими из числа проектов,разрабатываемых частными фирмами.
Компания Kelly Space and Technology (Сан-Бернандино,шт. Калифорния) ведет разработку транспортных космических систем семейства Eclipse.
Наиболее мощной моделью должна стать частично многоразовая транспортная система Eclipse Astrolinear, рассчитанная на выведение на низкую околоземную орбиту грузов массой 1,6 т.
Основным элементом этой ТКС является многоразовая крылатая ступень с внутренним отсеком полезного груза, где будет размещаться выводимый К А с верхними ступенями. Длина ступени составляет 37,5 м,диаметр фюзеляжа - 6 м, размах дельтовидного крыла - 24 м.
Запуск первой ступени предполагается осуществлять на высоте 6... 12 км, куда ее путем буксировки на тросе доставит самолет Boeing-74 7. С помощью собственного маршевого двигателя ступень должна выйти на суборбитальную траекторию полета. На высоте примерно 120 км от нее будет отделена сборка полезного груза с двумя твердотопливными ступенями, которые обеспечат ее доставку на рабочую орбиту. Первая же ступень после планирующего спуска в атмосфере должна совершать обычную авиационную посадку на аэродром.
В качестве маршевого ЖРД первой ступени предлагается использовать кислородно-керосиновый двигатель НК-33. В качестве альтернативных вариантов рассматриваются также российские двигатели НК-31 НПО "Труд", РД-180 НПО "Энергомаш", Aerospice и RS-56SA американской фирмы Rocketdyne. На второй и третьей ступенях должны использоваться РДТТ фирмы Thiokol - Star-48B и Star-63F соответственно.
Общие затраты на создание системы Eclipse Astrolinear, к коммерческой эксплуатации которой планировалось приступить в 1999 г.,оцениваются в 130 млн дол. Стоимость запуска ТКС должна составить 10 млн дол.
Компанией Motorola Satellite Communication был даже сделан заказ на 10 запусков новой ТКС. В соответствии с подписанным контрактом стоимостью 89 млн дол. фирма KST должна была с помощью системы Eclipse Astrolinear в ходе этих 10 полетов обеспечить выведение 20 КА системы Iridium.
Необходимые для создания этой ТКС технологии компания KST предполагает отработать в рамках двух менее сложных проектов - Eclipse Sprint и Eclipse Express.
Проектом Eclipse Sprint предусматривается разработка транспортной системы для запусков целевого оборудования на суборбитальные траектории. Основным ее элементом станет модифицированный истребитель F-106. Его подъем на высоту старта будет осуществляться также путем буксировки грузовым военным самолетом С-141 А. Первый старт системы намечалось провести в середине 1997 г. с территории базы ВВС Эдварде.
Стоимость работ по переоборудованию принадлежащего NASA самолета F-106 оценивается в 7 млн дол. Для отработки операции его буксировки, планировавшейся на начало 1997 г.,из федеральных фондов компании КЗТбыло выделено 110 тыс. дол.
В соответствии с проектом Eclipse Express предполагается в целях повышения энергетических характеристик самолета F-106 оснастить его ракетным двигателем. В результате появится возможность осуществлять запуски малых спутников массой 100 кг. Стоимость проекта оценивается в 17 млн. дол. После реализации названных выше двух проектов компания KST в середине 1998 г. планировала приступить к непосредственной разработке системы Eclipse Astrolinear.
Компания Pioneer Rocketplane (Лейквуд, шт. Колорадо) ведет проектные работы по частично многоразовой транспортной космической системе Pathfinder1, предназначенной для выведения в космос объектов легкого и среднего классов.
Основным элементом системы является пилотируемый (двухместный) трансатмосферный аппарат длиной 25 м, по форме схожий с орбитальным кораблем МТКС Space Shuttle. Двигательная установка аппарата Pathfinder комплектуется двумя турбореактивными двигателями F-100-PW-200 фирмы Pratt and Whitney и одним кислородно-керосиновым двигателем РД-120 российского НПО "Энергомаш".
По своей аэродинамической схеме аппарат Pathfinder представляет собой низкоплан с дельтавидным крылом с удлиненной передней кромкой. В консолях крыла будут размещаться топливные баки для керосина, в центральной части фюзеляжа - криогенный бак жидкого кислорода.
Силовая конструкция аппарата должна изготавливаться из композиционных материалов с использованием теплостойких смол.
Для аппарата выбрана металлическая система теплозащиты. Плитки, изготовленные на основе окиси алюминия,будут монтироваться непосредственно на силовую конструкцию.
Ракетоплан Pathfinder взлетает с аэродрома с пустым (для облегчения) баком окислителя, используя для взлета и разгона два турбореактивных двигателя F-100, а уже в полете с самолета-заправщика на Pathfinder перекачивается жидкий кислород. После этого ракетоплан выводится на баллистическую траекторию с помощью РД-120,в апогее груз выходит на орбиту с помощью "собственного" твердотопливного двигателя.
Наиболее экзотичным из числа всех рассматриваемых МТКС является проект Roton. Для реализации этого проекта создана компания Rotary Rocket, а непосредственной разработкой системы занимается фирма Scaled Composites (шт. Калифорния). По замыслу разработчиков, Roton будет одним из самых дешевых МТКС (стоимость полета до 7 млн дол.), поскольку это будет одноступенчатый аппарат, такой же как и Venture-Star.
Согласно проекту Roton сможет выводить на низкую околоземную орбиту до 3,2 т полезного груза. Пилотируемый носитель Roton стартует вертикально с помощью специально разрабатываемого ЖРД с кольцевым сопл ом, а также используя несущий винт вертолетного типа, на концах лопастей которого смонтированы ЖРД производства RocketJet.
После вывода на орбиту ПН Roton возвращается в атмосферу и приземляется с помощью авторотирующего винта, как вертолет. Тем самым, считают разработчики проекта, будет снята проблема строительства стартовых и посадочных площадок.
Носитель Roton будет иметь длину около 20 м, максимальный диаметр 6,7 м и лопасти винта длиной по 8 м.
Первый полет экспериментального аппарата состоялся в 1999 г. Аппарат достиг высоты 23 м и скорости 86 км/ч. Основная цель экспериментов - демонстрация жизнеспособности концепции носителя с РД на концах лопастей.
|
|
|
Демонстрационный прототип МТКС Roton
|
Пилотируемый космический носитель Roton должен вступить в строй в 2001 г.
В Японии теоретические работы по многоразовым транспортным космическим системам начались еще в конце 1970-х гг. Десятью годами позже специальный научный комитет, рассмотрев проекты, представленные Национальным агентством космических исследований NASDA, Национальной аэродинамической лабораторией NAL и Институтом космических и астронав-тических наук ISAS, пришел к выводу о перспективности создания пилотируемой многоразовой космической транспортной системы.
Первоначально в программе НОРЕ предусматривалось выполнение трех этапов:
Создание экспериментального крылатого аппарата НОРЕ-Х, предназначенного для отработки необходимых технологий при суборбитальных полетах с максимальной высотой 110 км. Первый запуск этого изделия намечено осуществить в 2001 г. с помощью РН Н2А.
Разработка к 2005 г. штатного многоразового корабля обслуживания, который по своим размерам будет близок к аппарату НОРЕ-Х (длина 16 м, размах крыла 10 м).
Создание в более отдаленной перспективе при наличии необходимых финансовых средств тяжелого корабля массой 22 т.
Однако в 1997 г. проект в связи с сокращением бюджета был приостановлен. Задача перевозки грузов на японский сегмент МКС была возложена на беспилотный КA HATV.
В ближайшие годы можно ожидать начала разработки японцами пилотируемого аппарата, оснащенного комбинированной ДУ, интегрированной с фюзеляжем. Летные испытания такого МТКС могут начаться после 2010 г.
В Индии разрабатывается миниатюрный многоразовый одноступенчатый орбитальный аппарат AVATAR (Aerobic Vehicle for Advanced TransAtmospheric Research - аэродинамический аппарат для перспективных трансатмосферных исследований),не превышающий размерами истребитель МиГ-25. Этот аппарат, рассчитанный на 100 полетов, сможет доставлять на низкую орбиту ПН массой от 0,5 до 1 т при удельной стоимости 67 дол./кг. AVATAR оснащен прямоточными воздушно-реактивными двигателями, работающими на водороде, и взлетает как обычный самолет. Набрав крейсерскую высоту, аппарат разгоняется до скорости, соответствующей М = 7, а затем включается ЖРД, который выводит аппарат на орбиту. При взлете на борту аппарата нет окислителя. Не обходимый для работы ЖРД кислород будет собираться во время крейсерского полета с помощью бортовых систем, которые сжижают атмосферный воздух, отделяя и накапливая жидкий кислород. Однако при ограниченных возможностях Индии (ассигнования на космос составляют 280 млн дол. в год) проект AVATAR вряд ли будет реализован.
Европейскими космическими организациями в разное время рассматривались различные проекты МТКС, такие как Hotol (Великобритания), Hermes (Франция) и др. В 1998 г. ESA завершило программу Festip,B рамках которой проводились исследования по перспективным ТКС, в том числе и многоразовым. Будет ли перспективная транспортная система ESA многоразовой или одноразовой, зависит от результатов работ по созданию ключевых технологий (программа FLTA).
В целом же можно констатировать, что все большее число стран стремится иметь собственные средства выведения полезных нагрузок в космос, чтобы проводить независимую политику в освоении и использовании космического пространства. В XXI в. их число может достичь 20.
| 