Павел Мельник,
кандидат технических наук
Серьезные проблемы на борту «Дискавери», несмотря на его успешное приземление, вынудили НАСА вновь отложить на неопределенный срок очередные полеты космических челноков. Эта неудача вызвала в мире волну интереса к российскому многоразовому кораблю нового поколения «Клипер» (см. «Авиапанорама», № 4, 2005), полномасштабный макет которого с успехом демонстрировался на МАКС-2005. Ожидается, что в 2012-м «Клипер» придет на смену нынешнему «Союзу». О том, что идет на смену зарубежным транспортным космическим системам рассказывает в своей статье кандидат технических наук Павел Мельник.

Экспериментальный летательный аппарат Х-33 фирмы «Локхид Мартин»

Ведущие зарубежные страны по-прежнему уделяют особое внимание программам дальнейшего развития космического вооружения и техники (КВТ). Одним из путей решения проблемы снижения затрат на разработку при повышении технического уровня КВТ является модернизация существующих систем.
Большое развитие получает практика планирования модификаций еще на этапе разработки, что позволит максимально использовать потенциал наращивания технических возможностей образцов КВТ на протяжении жизненного цикла. Все это обеспечит снижение затрат на выведение полезного груза (ПГ), повышение оперативности его доставки на орбиту, а также возможность модернизации, дозаправки и ремонта космических аппаратов (КА) на орбите.
В США созданы несколько семейств одноразовых ракет-носителей (РН) и многоразовая транспортная космическая система (МТКС) «Спейс Шаттл». На них возлагается задача по запуску государственных, военных и коммерческих ПГ. По мнению американских специалистов до 2012 г. более 60 % всех запусков будет приходиться на коммерческие КА. В связи с этим МО США и НАСА провели комплексное исследование проблем жизненного цикла современных ТКС, результаты которого легли в основу директивы президента США «О национальной политике в области транспортных космических средств» (The National Space Transportation Policy).
Этим документом определены основные направления работ в области развития ТКС: модернизация отдельных элементов и подсистем существующего парка РН и МТКС «Спейс Шаттл» с целью продления их эксплуатации до 2005 – 2012 гг., разработка нового семейства одноразовых РН и активизация работ по созданию МТКС следующего поколения.
В настоящее время технический уровень существующих одноразовых РН не соответствует возросшим требованиям по стоимости, надежности, времени подготовки к запуску и точности выведения ПГ. В этих условиях в США приняли программу создания нового поколения одноразовых РН EELV (Evolved Expendable Launch Vehicle) стоимостью $17,5 млрд. Новая РН и система запуска должны обеспечить снижение стоимости выведения ПГ и ежегодных затрат на эксплуатацию на 25 % и 50 % соответственно по сравнению с существующими системами аналогичного класса, при сроках подготовки к запуску не более 30 – 60 дней. Перспективная РН будет иметь модульную конструкцию, позволяющую выводить ПГ различной массы на любые орбиты с однотипной пусковой установки (ПУ) за счет комплектования общей части РН различным числом разгонных блоков или изменения типа верхней ступени.
Использование бортовой системы управления и наземного комплекса на основе архитектуры открытого типа, также позволит существенно сократить затраты при любом изменении конфигурации РН в рамках нового семейства. РН должна иметь стандартизованные стыковочные узлы для КА различных типов и будет способна выводить ПГ массой 1,1 – 18,6 т на орбиты с апогеем от 185 до 39000 км.
В настоящее время в рамках программы EELV разрабатываются новые семейства РН среднего и тяжелого весового класса «Дельта 4» и «Атлас 5». В основу создания перспективных РН положено разумное сочетание традиционных, отработанных технологий и новых разработок.
Так, при создании семейства РН «Атлас 5» специалисты фирмы «Локхид Мартин» взяли за основу конструкцию корпуса РН «Титан» и двигательную установку (ДУ) РД-180 российского производства. Для снижения веса и стоимости РН в ней планируется применить конструкции из композиционных материалов (КМ), а для запуска КА различного весового класса — несколько типов обтекателей с унифицированными стыковочными узлами.
Численность персонала для подготовки РН «Атлас 5» уменьшена с 350 до 85 человек, а три новых производственных помещения (вместо 17) позволяют проводить работы одновременно с шестью РН. Сборка РН «Атлас 5» будет происходить в вертикальном положении на мобильной транспортной платформе в течение девяти дней (вместо нескольких недель) и доставляться на ПУ за 12 часов до запуска.
По оценкам американских специалистов, совершенствование конструкции РН и технологических процессов позволит снизить стоимость запуска ПГ на 25–50 %.
Специалисты фирмы «Боинг» при создании РН «Дельта 4» используют в качестве ДУ первой ступени ЖРД RS-68, а на второй — криогенный ЖРД RL 10B-2 с увеличенным диаметром сопла и рассчитанный на два повторных включения при выведении ПГ на высокие орбиты.
Для обеспечения безопасности ПГ после отделения верхняя ступень снабжена системой увода. Все РН семейства «Дельта 4» будут иметь одинаковые бортовые и наземные элементы системы управления запуском и полетом. Совершенствование конструкции и процесса производства РН повысили надежность носителей, что позволило существенно сократить объем проверок РН и количество рабочих мест по предварительной проверке и подготовке РН к запуску (3 вместо 43). Общее время подготовки на стартовом комплексе уменьшено на 54 % (три недели), а трудозатраты — на 58 %, при этом пропускная способность одной ПУ по оценкам должна возрасти на 50 %.
На ближайшую перспективу до 2010 – 2012 гг. существующие и разрабатываемые РН рассматриваются в США как основное средство выведения ПГ в космос, а дальнейшие планы связаны с использованием МТКС.
МО США уже заключило ряд контрактов на проведение исследований по созданию МТКС второго поколения, предназначенной для доставки и развертывания КА и других ПГ массой до 18 т на НОО.
В свою очередь, НАСА инициировало работы по программе «Космическая транспортная инициатива» (Space Launch Initiative) в интересах исследования вариантов конструктивно-схемных решений МТКС и способности промышленности обеспечить выполнение требований НАСА к пилотируемым полетам на период до 2020 г.
Первый этап работ продлится до 2006 г., а общая стоимость программы оценивается в $5 млрд. На этом этапе намечается создать необходимую технологическую базу, определить технический облик, разработать отдельные конструктивные элементы перспективной МТКС, оценить стоимость разработки, эксплуатации и ожидаемый экономический эффект от ее использования. Результатом исследований должны стать выбор концепции и принятие решения о разработке экспериментального образца.
В настоящее время рассматриваются три основные концепции МТКС: двухступенчатая, трансатмосферная и одноступенчатая.
Двухступенчатая схема МТКС предполагает наличие первой ступени на углеводородном топливе, а второй — на жидком водороде. Запуск будет осуществляться вертикально, а посадка — по-самолетному для обеих ступеней.
Трансатмосферная концепция рассматривается для выведения ПГ относительно малой массы. Старт МТКС предполагается осуществлять с самолета-носителя, а посадку — на существующие аэродромы.
Одноступенчатый вариант по схеме несущий корпус, включающий топливные баки, ДУ и отсек ПГ. Запуск планируется осуществлять вертикально, а посадку — по-самолетному. Его достоинством является существенное уменьшение комплектующих элементов, что повышает надежность изделия. Однако такая схема предъявляет высокие требования по удельной прочности и теплопроводности к конструкционным материалам планера и в особенности ДУ, функционирующей на всех этапах полета. Кроме того, при такой схеме необходимо выводить в космическое пространство весь ЛА с ПГ, что приводит к большому расходу топлива и ресурса ДУ.
На основании технологического задела, который будет получен в результате разработки нового поколения МТКС, МО США планирует создать воздушно-космические самолеты (ВКС) военного назначения.
Первая концепция ВКС — многоразовый космический маневренный носитель (SMV — Space Maneuver Vehicle), выводимый на орбиту РН или другим носителем и осуществляющий посадку по-самолетному. Перспективный ВКС будет использоваться в качестве платформы для доставки и развертывания ПГ различного назначения. Прототипом такого ВКС является экспериментальный ЛА Х-40 фирмы «Боинг».
Вторая концепция — носитель для космических операций (SOV — Space Operations Vehicle), предназначенный для выполнения широкого спектра военных задач в пилотируемой и беспилотной конфигурации. В беспилотном варианте его основной задачей будет выведение на низкую орбиту космического маневренного носителя или межорбитального носителя для перевода ПГ на другие орбиты. В качестве прототипа такого ВКС рассматривается экспериментальный ЛА Х-33 фирмы «Локхид Мартин».
В настоящее время под руководством НАСА и активном участии МО США проводятся как теоретические работы по определению облика будущей МТКС, так и экспериментальные исследования по отработке конкретных технологий, необходимых для ее создания.
После выбора в 2006 г. концепции новой МТКС в период до 2010 г. планируется создать полномасштабный эксплуатационный образец, а на рубеже 2010 – 2012 гг. — выработать решение о принятии МТКС второго поколения в эксплуатацию. По заявлению разработчиков стоимость выведения ПГ перспективой МТКС составит около 2200 $/кг.
В случае если работы по программе МТКС второго поколения не дадут положительного результата, НАСА не исключает возможности продления сроков эксплуатации МТКС «Спейс Шаттл» вплоть до 2030 г. при условии проведения ее глубокой модернизации в целях улучшения надежности, безопасности и снижения стоимости.
Страны, входящие в европейское космическое агентство ЕКА (ESA — European Space Agency), продолжают уделять особое внимание созданию и совершенствованию собственных ТКС в интересах достижения независимости и поддержания высокой конкурентоспособности своих средств доставки ПГ. Основными программами ЕКА в этой области является модернизация одноразовой РН «Ариан-5», а также ряд перспективных разработок.
Программа модернизации «Ариан-5» общей стоимостью $1,6 млрд. предусматривает: проведение анализа аварий, происшедших с РН этого семейства, и выработку рекомендации по их предотвращению; модернизацию всего наземного комплекса «Ариан-5»; увеличение тяги ЖРД «Вулкан»; снижение веса стартовых ускорителей; увеличение тяги двигателя второй ступени; увеличение запаса топлива. Также принято решение о разработке новой легкой РН «Вега», предназначенной для выведения ПГ на низкую орбиту.
В 2007 г. ЕКА планирует начать разработку МТКС, которая должна к 2015 г. заменить «Ариан-5». В настоящее время рассматриваются следующие концепции: возвращаемая ступень, выводимая в космос РН; многоразовый ВКС, запускаемый одноразовым носителем; традиционная МТКС.
После выбора концепции МТКС до 2010 г. предполагается оценить ее жизнеспособность с техническо-экономической точки зрения. Для этой цели должен быть создан экспериментальный ЛА ARES (Atmospheric Reentry Experimental Spaceplane) длиной 7 м и размахом крыла 3 м. В ходе летных испытаний планируется проверить маневренность ЛА на орбите и способность совершать посадку на обычные аэродромы. Предусматривается создание двух вариантов: дозвукового ARES-S — для отработки техники пилотирования на малых скоростях и при посадке и гиперзвукового ЛА ARES-H — для отработки всех этапов полета, включая вход в атмосферу, управляемый спуск и приземление с помощью парашюта. Общая стоимость работ с учетом летных испытаний оценивается в 10 млрд. Специалисты Японии планируют создать семейство модульных РН Н-2А для запусков государственных ПГ.
Японская фирма «Гэлэкси Экспресс» разрабатывает двухступенчатую РН GX среднего весового класса для замены РН J-1. На первой ступени будет установлен ракетный двигатель NK-33, на второй ступени — ЖРД, работающий на жидком метане и жидком кислороде. РН должна обеспечить выведение ПГ массой 3 т на низкую орбиту. Первый пуск запланирован на 2006 г.
Агентство по науке и космосу Японии (НАСДА) предлагает программу разработки пилотируемой МТКС, рассчитанную на 20 лет и рассматриваемую как путь к снижению стоимости и поддержанию конкурентоспособности на мировом рынке носителей.
В настоящее время под руководством НАСДА разрабатывается ЛА «Хоуп», выводимый на орбиту с помощью РН Н-2А, но с посадкой по-самолетному. ЛА серии «Хоуп» создаются для обслуживания японского экспериментального модуля (JEM) МКС, а также для проведения технологических экспериментов по созданию многоразовых ВКС. В год намечается производить два запуска ЛА серии «Хоуп», а первый пуск намечен на 2007 – 2008 гг.
В долгосрочные планы Японии входят работы по одноступенчатому ВКС. Национальная аэрокосмическая лаборатория Японии определяет следующие сроки разработки: начало работ — 2006 г., прототип ВКС — к 2010 г. и окончательный вариант — к 2020 г. По предварительным оценкам ВКС будет иметь экипаж из четырех человек, длину около 50 м, массу около 52 т, а стоимость разработки составит $20 млн. ВКС будет использовать воздушно-реактивный двигатель для полета в атмосфере и ракетные двигатели для выхода на орбиту. Возможен вариант использования гибридных двигателей, таких как двигатели с циклом сжижения воздуха (LACE) или ГПВРД.
Китай в настоящее время эксплуатирует большое количество РН типа CZ различных модификаций, позволяющих перекрыть весь необходимый диапазон орбит.
Двухступенчатая жидкостная РН CZ-2D оснащена универсальным твердотопливным разгонным блоком американского производства «Пам-Д» и способна выводить на геостационарную орбиту (ГСО) ПГ массой около 1,3 т. Двухступенчатая РН CZ-2Е является самой тяжелой. Она оснащена четырьмя жидкостными стартовыми ускорителями и может выводить ПГ массой до 9,2 т на низкую и 3,3 т — на геостационарные (ГСО) орбиты.
РН CZ-3 за счет оснащения третьей криогенной ступенью способна выводить на переходную ГСО ПГ массой до 1,4 т. РН CZ-3А с удлиненными первой и второй ступенями оснащена более мощной третьей криогенной ступенью (тяга увеличена вдвое, по сравнению с третьей ступенью РН CZ-3). Благодаря этому, РН CZ-3А способна выводить на переходную ГСО ПГ массой до 2,5 т.
РН СZ-4 создавалась для выведения ПГ массой 2,5 т на полярные и солнечно-синхронные орбиты или 4 т — на НОО. Первой ступенью данной РН служит удлиненная ступень РН CZ-2Е, второй — уменьшенная вторая ступень РН CZ-3А. Третья жидкостная ступень была разработана специально.
В настоящее время в Китае разрабатывается тяжелый носитель, рассчитанный на ПГ массой до 20 – 30 т и оснащенный кислородно-керосиновым и водородно-кислородным ЖРД с тягой 109 и 45,4 тс соответственно.
Первый запуск планируется осуществить до 2007 г. По оценкам китайских специалистов на завершение этих разработок потребуется около 5 лет и $400 – 500 млн.

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (проголосуйте)
Загрузка...