РАКЕТА, САМОЛЕТ ИЛИ РАКЕТНЫЙ САМОЛЕТ?

РАКЕТА, САМОЛЕТ ИЛИ РАКЕТНЫЙ САМОЛЕТ?

Сколько бы ни говорили о будущих кораблях и станциях, не только конструктивные проблемы определяют возможность и экономику их создания. Такова уж природа космонавтики, что во все времена многое будет зависеть от средств сугубо вспомогательных, не решающих собственно задач по освоению и исследованию космического пространства — ракет-носителей. Казалось бы, дело-то их всего-навсего доставить объект к месту «работы». А точнее, даже не доставить, а разогнать, «бросить» корабль с нужной скоростью в нужном направлении. А доберется куда надо он уже сам — согласно законам небесной механики. Так или иначе, но в общем-то всего лишь транспортная задача.

Стоимость носителя в общей стоимости запуска космического аппарата бывает самая разная. Если носитель серийный, а аппарат уникальный — что-то около 10 процентов. Если наоборот — может достигать сорока процентов и более. Где вы видели на Земле объект, доставка которого к месту использований стоила бы так дорого? А все потому, что на Земле все транспортные средства используются многократно! А ракета-носитель применяется один-единственный раз.

Пока космические запуски были редкими, этот факт особого внимания не привлекал. Казался нормальным. Но по мере увеличения интенсивности освоения космоса становился все более существенным. Аппарат работает на орбите или в межпланетном пространстве и приносит определенный научный или народнохозяйственный результат. А ступени ракеты, имеющие сложную конструкцию и дорогое оборудование, сгорают одна за другой в плотных слоях атмосферы или остаются без нужды на. орбитах. Естественным образом возник вопрос о снижении стоимости космических запусков за счет повторного использования ракет-носителей.

Первые ракеты-носители создавались, как известно, не как принципиально новые машины, а с использованием конструкции боевых баллистических ракет. В основу последних одноразовый принцип закладывается изначально. Было бы смешно рассчитывать на их повторное использование, утяжелять и удорожать то, что все равно должно улететь в сторону противника.

А между тем на заре эры жидкостных ракет вопрос стоял как раз наоборот. Роберт Годдард уже на одной из своих первых ракет в 1929 году установил парашют, который, правда, не сработал. И почти на каждой из своих последующих ракет, а сконструировал он около трех десятков ракет (все они были высотными, спускались вертикально), устанавливал парашюты. Очень ему не хотелось для каждого нового испытания строить новую ракету. Накладно это было. Но ни разу ему не удалось приземлить ракету без повреждений.

Где располагать парашют? Лучше всего, казалось бы, в хвосте, вблизи центра масс. Но там расположена камера сгорания и, следовательно, имеют место высокие температуры. Парашют может подгореть, да и механизм выпуска может не сработать. Значит, в носовой части? Но тогда возникнет вопрос: в какой момент раскрывать парашют? Очевидно, пока ракета еще не перевернулась вверх хвостом, то есть в верхней точке траектории, когда скорость полета близка к нулю. Но в те времена (30-е годы) зафиксировать этот момент и выдать команду на механизм было очень сложно; парашют раскрывался не вовремя и часто рвался.

Все ракетостроители того периода, включая советских, мечтали о возвращении ракеты на Землю без повреждений. Ведь это давало возможность проанализировать ее работу. Не говоря уже о повторном использовании конструкции. Однако очень редко были случаи, когда это удавалось.

В 40-е годы эта задача была отчасти разрешена. При экспериментальных пусках по вертикали небольшие ракеты иногда удавалось спасать. Можно, казалось, применить спуск и для конструкций баллистических ракет, которые после отделения от головных частей падали на расстоянии нескольких сотен километров от места старта.

Выяснилось, однако, что для приземления с достаточно малой скоростью, а она не должна для хрупкой конструкции ракеты превышать пяти-семи метров в секунду, нужен огромный парашют, масса которого составляла бы порядка шести-восьми процентов от массы конструкции. Но это при заданной массе головной части сильно сказывалось на дальности полета. По мере роста дальности ракет и, следовательно, их скоростей задача возвращения в атмосферу и посадки конструкции все более усложнялась. (Другое дело спасение небольших контейнеров с научными приборами, запускаемых ракетами на высоту и отделяемых от основной конструкции.)

В 50-е годы в технической литературе обсуждались и другие способы возвращения ступеней. Например, с помощью аэростатов-баллонов, надуваемых гелием после того, как ракета затормозится с помощью парашютов. Считалось, что такой способ имеет преимущества с точки зрения доставки ракеты к месту старта — медленно опускающаяся на баллонах ступень может быть подхвачена вертолетом. Эту же задачу предлагалось решать за счет использования авторотирующего винта, который, подобно вертолету, мог бы привести ступень на нужное место. Об этом способе мы уже говорили при обсуждении методов посадки космических аппаратов. Еще рассматривалось «крыло Рогалло» — надувной дельтаплан, маневренность которого достаточно велика. Наконец, были сторонники применения обычных или выдвижных крыльев с небольшим реактивным двигателем, то есть превращение ракетной ступени в своего рода самолет.

Серьезнее всего, пожалуй, велись проработки парашютно-ракетной системы, то есть того средства, которое применяется сейчас для спасения спускаемых аппаратов-кораблей. Конечно, при этом нужны еще вертолеты для перевозки ступеней с места посадки. Для очень больших ступеней рассматривался и такой вариант: посадка осуществляется на воду (скорость контакта может быть выше), после чего транспортировка может быть проведена на плаву буксиром.

Но все эти способы, условно говоря, годятся только для первых ступеней, разгоняющихся до сравнительно невысоких скоростей (максимум два-три километра секунду) и падающих к тому же недалеко, в нескольких сотнях километров от места старта. Вторые ступени, разгоняющиеся до четырех-шести километров в секунду и более, тормозить и спасать значительно труднее. Необходимо ставить хотя бы небольшую теплозащиту. К тому же летят они на тысячи километров дальше от места старта и велико их рассеивание при падении, что создает сложности поиска их в труднодоступных районах.

И, наконец, совсем сложно с последней ступенью — она выходит на орбиту вместе с аппаратом или кораблем, и, следовательно, ее нужно тормозить и защищать от нагрева точно так же, как спускаемый аппарат корабля. Практически эта задача для конструкций ракет если и разрешима, то за счет весьма существенных потерь массы на полезную нагрузку.

И все же почему до сих пор не спасаются хотя бы нижние ступени? Кроме тех причин, о которых мы уже говорили, есть еще одна. Опять же экономическая. Ступень для повторного использования необходимо подвергнуть сложному восстановительному ремонту, стоимость которого соизмерима со стоимостью новой ракеты. Особенно если она серийная. Но даже и после ремонта на повторное использование ракетной ступени во многих случаях будет трудно решиться. Ведь надежность ее все же будет ниже, чем у совсем новой. И рисковать дорогостоящим спутником и тем более кораблем никто не захочет.

С другой стороны, возвращение ступеней может дать эффект от повторного использования не только всей конструкции, но и отдельных ее частей и оборудования. Кроме того, оно помогло бы отрабатывать новые элементы систем. Отметим еще, что мягкая посадка (с уводом в сторону) ступеней ракет позволила бы избежать ограничений в хозяйственном использовании тех участков земли, иногда довольно больших, куда обычно падают эти ступени.

И, наконец, в результате этого космос перестанет засоряться остающимися в нем и совсем там ненужными ступенями. Сейчас на орбите находится несколько тысяч отработавших ступеней и их частей. Количество их продолжает расти, хотя часть ракет со временем сходит с орбиты. И потом в принципе возможны столкновения с ними спутников и кораблей, хотя практически до этого еще далеко. За 25 лет космических запусков столкновений пока зафиксировано не было.

И все же экономические оценки показывают, что оптимальные решения лежат пока еще в стороне от того, чтобы стало целесообразным спасать обычные ракетные ступени.

Где же выход? Ведь проблема повышения экономической эффективности стоит перед космонавтикой весьма остро. Путь здесь единственный — создание специальных ракет-носителей многократного применения.

Среди различных способов мы упомянули такой: крыло и двигатель. Конечно, к крылу и двигателю нужно добавить еще и посадочное шасси. Получается, таким образом… самолет. Но на легкую тонкостенную конструкцию ракетной ступени почти невозможно установить такое количество сложных механизмов и заставить ее летать. Нужно создавать совсем другую конструкцию, не имеющую почти ничего общего с обычной ракетой.

Одним словом, возникла идея космического самолета. Нет, создать крылатую машину, которая, подобно воздушному лайнеру, взлетала бы с космодрома, совершала бы полет в космос и, оставив там спутник или космический корабль, возвращалась бы на Землю, пока невозможно. Главным образом, все из того же соображения — потребного соотношения масс.

Естественно, что одним из первых появился и такой вариант: самолет с воздушно-реактивными двигателями поднимает в воздух и разгоняет до большой скорости вторую ступень с ракетными двигателями, которая так же, как и самолет-разгонщик, способна возвращаться на Землю и использоваться многократно. Такая схема казалась весьма перспективной, однако встал вопрос о создании «прямоточек», работающих до скорости два-три километра в секунду. Дело это пока далекое, но этой же причине не прошел и компромиссный вариант: самолет-разгонщик многократного использования несет на борту одну-две обычные ракетные ступени с полезным грузом.

Затем появилось множество других схем — двух-трехступенчатые носители с самым различным сочетанием двигательных установок и принципов возвращения ступеней на Землю. Большинство из них оказалось или экономически невыгодными, или трудноосуществимыми в ближайшие годы.

В начале 70-х годов в США было принято решение о разработке многократно используемой системы «Спейс Шаттл» («космический челнок»). Выбрана была одна из компромиссных схем: возвращается и повторно используется только верхняя, вторая ступень, причем без топливных баков.

Старт «Шаттла» осуществляется с помощью двух мощных твердотопливных двигателей (диаметр — 3,7 метра) первой ступени, а также жидкостных ракетных двигателей второй ступени, которые питаются топливом (жидкий водород и жидкий кислород) от большого бака второй ступени. Сначала, после выгорания топлива, сбрасываются пороховые двигатели, затем пустой топливный бак. После этого вторая ступень выходит на орбиту.

Что же происходит со сброшенными элементами конструкции? Бак (диаметром 8,5 метра и длиной 47 метров) разрушается и сгорает в плотных слоях атмосферы. Корпуса же пороховых двигателей спускаются на парашютах на воду, в океан, и буксируются к берегу, с тем чтобы после восстановительного ремонта и зарядки топливом использоваться вновь.

Так или иначе, но схема эта — компромисс и в техническом и в экономическом отношении. Посудите сами: максимальный полезный груз «Шаттла» от 14,5 до 29,5 тонны, а масса на старте около 2 тысяч тонн, то есть полезная нагрузка составляет всего 0,8–1,5 процента от полной массы заправленного корабля. В то время как обычная ракета имеет два-четыре процента при том же грузе в 29,5 тонны, ее стартовая масса была бы равна 750—1500 тонн.

Если же взять эти соотношения без учета массы топлива (понятно, что килограмм топлива и килограмм конструкции — вещи совсем разные), то преимущество в пользу обычной ракеты еще более возрастет — примерно от 10 до 15 процентов. Такова дань возможности использовать повторно хотя бы часть конструкции.

Вторая ступень «Шаттла» представляет собой нечто вроде ракетного самолета. Почему «нечто»? Да потому, что, обладая крылом, эта ступень осуществляет сход с орбиты как обычный космический аппарат и производит посадку без тяги, только за счет подъемной силы стреловидного крыла малого удлинения. Крыло позволяет совершать некоторый маневр как по дальности, так и по курсу и в конечном счете производить посадку на специальную бетонную полосу.

Посадочная скорость ступени при этом намного выше, чем у любого истребителя, — около 350 километров в час.

Полезный груз размещается в большом грузовом отсеке верхней ступени (ее называют иногда не очень точно орбитальным самолетом). Грузом может быть как спутник или дополнительная ракетная ступень, которые нужно оставить на орбите, так и специальные блоки для исследовательской и экспериментальной работы людей. В этом случае верхняя ступень «Шаттла» остается вместе с блоками на орбите на весь срок работы (предположительно до месяца).

Сейчас трудно судить, насколько, эффективной окажется эта система. Во всяком случае, технические и технологические трудности, с которыми столкнулись создатели «Шаттла», оказались выше, чем предполагалось. Разработка проекта велась почти десять лет, первый испытательный полет откладывался в течение полутора лет и состоялся в апреле 1981 года. Одна из трудностей — покрытие корпуса аппарата (а он имеет довольно сложную форму) теплозащитными плитками разных размеров и толщины (в различных местах ступени при прохождении плотных слоев атмосферы на этапе спуска будет различная температура — от нескольких сот до почти 1600 градусов по Цельсию).

Верхняя ступень «Шаттла» в принципе должна выходить на низкую орбиту, и, следовательно, для того, чтобы доставлять спутники на более высокие (круговые или вытянутые) орбиты, включая стационарные, а также на межпланетные траектории, предполагается применять специальные ракетные ступени — «космические буксиры», которые, как уже говорилось, будут доставляться на низкую орбиту также «Шаттлами».

Что и говорить, непросто все это — создать экономичную транспортную космическую систему.

Некоторых специалистов в идее «Шаттла» смущает еще и другое. Согласно экономическим расчетам он оправдывает себя примерно при 40 полетах в год на один образец. Получается, что в год только один «самолет», чтобы оправдать свою постройку, должен выводить на орбиту порядка тысячи тонн разных грузов. С другой стороны, имеет место тенденция к снижению веса космических аппаратов, увеличению продолжительности их активной жизни на орбите и вообще к снижению количества запускаемых аппаратов за счет решения каждым из них комплекса задач. Если говорить об орбитальных станциях и пилотируемых кораблях, то их запускается в год считанные единицы.

Тут, конечно, можно и возразить: тенденция снижения массы запускаемых спутников, если она действительно имеется, может быть временной, появившейся как раз из-за отсутствия экономичных средств выведения. И когда такие средства появятся, в них, очевидно, возникнет необходимость. Задач в космосе и сейчас хоть отбавляй, и космонавтика явно вышла на тот рубеж, когда дальнейшее ее развитие не может успешно идти без принципиального решения экономических проблем. С другой стороны, экономический эффект от средств многократного использования, подсчитанный как чистая экономия по сравнению с применением обычных одноразовых средств, начнет ощущаться по крайней мере через 10 лет, даже при неоптимальном количестве запусков.

— Когда закладывался «Шаттл», о нем говорили как о средстве, необходимом для снабжения орбитальных станций, то есть как о транспортном корабле. В какой мере, Константин Петрович, его можно сейчас рассматривать как таковой?

— По своей грузоподъемности разве что для очень больших станций будущего. На текущем этапе развития выгоднее автоматические транспортные корабли.

— Мне «Спейс Шаттл» представляется как бы разработкой впрок. Этим отчасти можно объяснить многократный перенос сроков начала летных испытаний. Говорят, что схема, олицетворенная в «Шаттле», представляет собой сближение ракетной техники и космонавтики с авиацией.

— Отчасти это действительно так. Многое из опыта авиации использовалось при создании верхней ступени, и в то же время это техника ракетно-космическая.

— Вы занимаетесь проектированием пилотируемых кораблей, но если бы перед вами поставили задачу создать транспортную систему многократного применения, какую бы схему вы выбрали?

— Трудно сказать сразу. Чтобы выбрать одну из многих возможных схем, их нужно просчитать. Но, думаю, я бы не стал применять крыло.

— Почему же?

— Давайте посмотрим, что оно дает. При выходе на орбиту это только лишний вес и к тому же еще довольно существенное дополнительное сопротивление. На орбите крыло совсем не нужно. При входе в атмосферу — наиболее трудно защитимая от тепловых потоков часть корабля. И роль свою крыло начинает играть лишь на самом конечном участке полета — при планировании и заходе на посадку. При этом, хотя точность и повышается, ступень не может совершить посадку в любом районе, а только на специальные полосы. Но ведь достаточно высокую точность приземления имеют сейчас и корабли типа «Союз» и «Аполлон» с парашютной системой посадки. Причем посадить такие корабли можно едва ли не в любой точке планеты. Маневр по курсу, на мой взгляд, не настолько принципиальное преимущество, чтобы создавать такую сложную систему.

— Мне кажется еще, что высокая посадочная скорость «Шаттла» связана с немалым риском. Заходить на посадку без мотора, в планирующем полете, не имея возможности при промашке уйти на второй круг, как это может любой самолет, потребует от космонавтов высочайшего мастерства и напряжения.

— Или сложной автоматики, на создание которой и пошли американцы. Я бы обратил внимание еще на одну сторону этого проекта. Судя по сообщениям прессы, стоимость доставки полезного груза составит у «Шаттла» около 800 долларов за килограмм. По нынешним представлениям, это, конечно, неплохо, сейчас американские ракеты, как известно, выводят грузы при затратах несколько тысяч долларов за килограмм. Но в перспективе, когда в космосе придется решать сложные производственные и строительные задачи, нужны будут средства доставки на порядок более «дешевые»: 50–70 долларов за килограмм. Вот что, по общему мнению, даст нужный эффект. Путь «Шаттла» к этим цифрам, очевидно, не приведет, какое бы топливо ни применять и как бы ни совершенствовать конструкцию.

— Какой же путь вам кажется более выгодным?

— Я как инженерт отдал бы в перспективе предпочтение системе полностью многоразовой и одноступенчатой, без крыла. Уверен, она была бы намного рациональнее, эффективнее и не столь громоздка.

— Чем же объяснить, что американцы выбрали путь «Шаттла» — частично спасаемой системы?

— Такое решение, с инженерной точки зрения, сейчас осуществить более просто, здесь все ясно, что и как, делать. Но главное, конечно, — разработка дешевле.

— Но она идет уже почти целое десятилетие, а за такое время любая задуманная машина стареет морально. Поскольку появляются не только новые конструктивные и технологические веяния, но и новые требования к машине, работающей в космосе. Проект «Шаттла» закладывался, когда еще не было полной уверенности, что человек может активно работать на орбите по крайней мере полгода. Рассчитали корабль на полет всего лишь до месяца, причем блок для научных исследований с космонавтами «Спэйслэб» автономно от корабля работать не может. Но теперь, после нескольких полетов экипажей на советской станции «Салют-6», стало ясно, что такая продолжительность далека от оптимума.

— Стоимость работы одного экипажа на «Спейслэбе», несмотря на сравнительно невысокие затраты на выведение, будет не ниже, а выше, чем на долговременной орбитальной станции. Конечно, система «Шаттл» имеет немало чисто технических достоинств, но все они должны воплотиться в эффективный научный результат.

— Значит, в перспективе будут выгоднее одноступенчатые носители? Но, как известно из уравнения Циолковского, на обычных топливах такую ракету создать трудно — на долю конструкции и полезного груза на старте должно приходиться около трех процентов от веса ракеты. Остальное — топливо. Но это же нереально! Современные многоступенчатые ракеты имеют относительный вес только конструкции шесть-восемь процентов, а с полезным грузом это составляет не менее 8—12 процентов.

— Если ракету делать, используя современные проектные решения и достаточно крупной, то при кислородно-водородном топливе вполне можно добиться нужного отношения масс около 10. Конечно, речь должна идти о перспективных материалах и технологии.

— Ранее мы говорили о необходимости создавать в будущем ракеты-носители с полезным грузом до 300–500 тонн. О таком масштабе ракет вы говорите сейчас?

— Да, примерно о таком, но это совсем не обязательно, можно и существенно меньше.

— Но такие гигантские ракеты должны обладать абсолютной надежностью! Иначе одна авария ракеты приведет к потере очень дорогостоящего полезного груза, например, половины марсианского корабля. Наслышан я и о других проблемах больших ракет. Например, что уровень шума будет столь колоссальным — более 100 децибел, что это скажется на прочности конструкции самой ракеты и стартовых построек.

— Надежность больших ракет должна быть очень высокой, это несомненно. Но ведь и обеспечить ее в этом случае проще — можно установить больше резервного оборудования. Что касается акустических нагрузок, то проблема здесь есть, но с ней можно бороться.

— А как будут садиться на Землю эти гиганты?

— Примерно так, как сейчас садятся спускаемые аппараты космических кораблей, — вертикально, с помощью ракетных двигателей.

— Проекты крупных одноступенчатых носителей публиковались, помнится, несколько лет назад в зарубежной технической литературе и носили звучные названия «Ромбус», «Нексус», «Пегас».

— Такому направлению, по-моему, и принадлежит будущее…