Павел Мельник,
кандидат технических наук

В условиях существующей нестабильности международной обстановки и периодического возникновения очагов напряженности в различных регионах часто возникает необходимость оперативного получения информации об интересующих районах земного шара. Эта задача может быть решена за счет выведения дополнительных космических аппаратов (КА) различного назначения и весового класса. В настоящее время, когда каждый запуск ракеты-носителя (РН) запланирован на несколько лет вперед, возможность оперативного создания требуемой орбитальной группировки потенциально обеспечивает информационное преимущество военно-политическому руководству страны.
Успехи в области новых технологий спутникостроения обеспечивают на протяжении последних лет устойчивую тенденцию снижения массогабаритных характеристик КА. Появление КА сверхмалого класса (микро, нано и пико КА) позволяют частично решить проблему оперативного запуска за счет выведения их на орбиту в качестве дополнительно полезного груза (ПГ) при плановых запусках, однако такая возможность предоставляется не всегда.
Длительность наземной подготовки существующих РН составляет от нескольких недель до нескольких месяцев. Кроме этого, оперативное развертывание орбитальной группировки, состоящей из нескольких микро КА и выводимой на орбиту одной РН, требует наличия специальной маневрирующей платформы для размещения каждого КА в заданной области космического пространства, что приводит к увеличению стоимости запуска.
В связи с этим задача разработки и создания средств выведения ПГ малой массы для осуществления оперативных запусков КА представляется весьма актуальной.
В настоящее время зарубежные специалисты-разработчики транспортных космических систем (ТКС) обратили свое внимание на использование воздушных носителей для решения этой проблемы. Применение самолетов в качестве первых ступеней ТКС позволит отказаться от сложной и весьма дорогостоящей инфраструктуры стартовых комплексов. Например, эксплуатация полигона и космического центра в штате Флорида ежегодно обходится примерно в $ 780 млн., а космодрома Куруа — $ 560 млн. Кроме этого существенно повышается гибкость выбора места старта носителя, в качестве которого может быть использован практически любой аэродром с бетонной взлетно-посадочной полосой (ВПП) I класса.
Одним из первых образцов системы с воздушным стартом является ТКС на базе РН «Пегас» и самолета-носителя В-52. В настоящее время в качестве РН используется твердотопливная трехступенчатая ракета «Пегас-ХL», разработанная компанией OSС. Она отличается от базового варианта увеличенной массой топлива первой и второй ступеней (на 24% и 30% соответственно). При увеличении энергетических характеристик новой ракеты на 60 % затраты, связанные с ее запуском, возросли лишь на 10 %. Общая масса ракеты составляет 23,6 т, а длина — 19,1 м. РН «Пегас-XL» позволяет выводить на околоземную орбиту высотой 720 км полезный груз массой до 340 кг.
Однако расположение подвески ракеты под крылом самолета В-52 затруднило его эксплуатацию с более тяжелой РН «Пегас-XL» из-за нарушения балансировки носителя после отделения груза.
Решением проблемы стал выбор в качестве носителя широкофюзеляжного самолета L-1011-100 «Тристар».
В силу особенностей его конструкции установка узлов подвески ракеты под фюзеляжем не нарушила целостность нижних силовых балок и герметичность обшивки. Кроме этого, несмотря на монтаж дополнительного оборудования общей массой около 5 т, массу «сухого» самолета снизили со 108 до 99 т.
По летно-техническим характеристикам самолет «Тристар» уступает В-52. В частности, сброс ракеты может производиться на более низких высотах, чем при использовании В-52, что снижает массу выводимого ПГ.
Однако в целях увеличения высоты пуска РН решили с учетом рекомендаций фирмы «Роллс-Ройс» на высотах более 9000 м на непродолжительное время форсировать работу двигателей самолета. Летные испытания показали, что форсированный режим позволяет увеличить высоту сброса РН примерно на 600 м. Минимально возможная высота отделения РН составила 11400 м при скорости самолета, соответствующей числу М = 0,8.
Наземный комплекс, расположенный на авиабазе Вандерберг, дает возможность одновременно проводить подготовку к запуску до четырех ракет «Пегас-XL», причем ежегодно можно будет осуществлять до 12 стартов.
В ходе первых испытаний РН «Пегас-XL» на орбиту высотой 160 x 880 км вывели экспериментальный военный спутник STEP-1 массой 347 кг. Общая стоимость проекта STEP-1 составила $ 50 млн. (из них: $ 20 млн. — стоимость КА и $ 40 млн. — затраты на запуск и эксплуатацию наземного комплекса).
В настоящее время МО США поддерживает продолжение работ над двумя новыми концепциями, которые
по заявлениям официальных представителей космической программы могут способствовать увеличению числа выводимых КА при существенном снижении стоимости запуска.
Первая из систем, разрабатываемая директоратом космических носителей научно-исследовательского центра (НИЦ) ВВС США, предназначена для выведения микро КА и представляет собой пусковой контейнер, размещаемый на транспортном самолете. Контейнер может доставляться в точку пуска в грузовом отсеке самолетов С-141В, С-5А или С-17А, причем доработка самолета-носителя не требуется. Отстрел малогабаритной одноразовой ракеты или двухступенчатого воздушно>космического самолета (ВКС) из контейнера будет производиться пневматическим способом на высоте 12000 м и скорости около 850 км/ч.
Представители НИЦ полагают, что пусковой контейнер может быть готов к запускам прототипа многоразового ВКС в течение ближайших двух лет.
Общая стоимость разработки системы по предварительным оценкам составит около $ 200 млн., а стоимость запуска — от $ 3 до $ 5 млн. при возможном количестве запусков ПГ массой 100 кг — до 40 в год.
В качестве второго направления МО США рассматривает использование для выведения на орбиту разведывательных микро КА самолетовистребителей. Одной из первых разработок в данной области являлась программа ASAT (Anti Satellite) по запуску противоспутникового оружия самолетом F-15, закрытая в 1988 г.
В рамках проводимой оборонным Агентством по перспективным исследованиям США (DARPA) программы
RASCAL (Responsive Access, Small Cargo and Affordable Launch), стоимость которой оценивается в более чем $ 90 млн., должна быть продемонстрирована возможность выведения КА массой до 75 кг на солнечно-синхронные орбиты высотой до 500 км в течение 24 ч после выдачи запроса при стоимости запуска не более $ 750 тысяч.
В настоящее время компанией Space Launch Corp. осуществляется второй этап программы продолжительностью 18 месяцев, по итогам которого в 2005-м финансовом году будет принято о продолжении работ в рамках третьего этапа.
За основу проекта взяты существующие военные самолеты с высокими летно-техническими характеристиками, причем рассматриваются как пилотируемые, так и беспилотные варианты. Первая ступень ТКС будет оснащена турбореактивным двигателем, охлаждаемым специальным компрессором низкого давления. Вода и окислитель, нагнетаемые через воздухозаборное устройство для охлаждения и повышения плотности воздушного рабочего потока, в существующем двигателе с форсажной камерой позволят на короткий промежуток времени повысить тягу и получить существенный прирост в высоте полета. Благодаря этому, первая ступень ТКС (будет ли она базироваться на проекте существующего самолета или совершенно новом проекте) сможет достигать скорости в трое превышающую звуковую и высот полета более 30500 м при выполнении «горки» для запуска второй ступени.
Старт второй ступени в условиях экзоатмосферы позволяет отказаться от головного обтекателя ПГ, но требует доставки верхней ступени на внутренней подвеске. Одноразовый носитель будет запускаться как ракета.
Рассматриваемая концепция имеет ряд преимуществ, ввиду возможности запуска практически из любого района США. Некоторые типы орбит недоступны с имеющихся космодромов в течение 24 ч, что может исключить возможность запуска КА, критичных по времени выведения. Возможность запуска из любого региона страны частично снимает эту проблему.
Однако с другой стороны запуск из произвольного места создает ряд проблем, связанных с обеспечением безопасности. В связи с этим, одним из требований при разработке носителя по программе RASCAL является применение нетоксичного жидкого топлива в целях ограничения риска для людей на территориях вокруг аэродромов и коридоров полетов.
Независимые эксперты в области космической политики США считают, что реализация проекта RASCAL создаст ряд значительных преимуществ в осуществлении перспективных американских военных программ, так как носитель, запущенный из произвольного места, весьма сложно обнаружить средствами слежения противоракетной обороны (ПРО). Кроме этого, наличие относительно недорогих средств выведения на орбиту может значительно стимулировать рынок КА сверхмалого класса.
Американская фирма Space Access LLC разрабатывает новую беспилотную многоразовую ТКС (МТКС),
первая ступень которой представляет собой ВКС, способный нести вторую ступень внутри фюзеляжа. Подобная система позволит доставлять различные ПГ на низкую околоземную орбиту (НОО), а при использовании дополнительной третьей ступени — на геостационарную орбиту (ГСО). При проведении исследований Space Access LLC отказалась от риска и больших расходов, связанных с разработкой новых технологий, а предпочла пойти путем совершенствования уже известных решений.
Главным новшеством создаваемой системы является силовая установка первой ступени на основе перспективного прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) эжекторного типа. Основной проблемой применения обычного ПВРД является необходимость предварительного разгона до скорости вдвое превышающей звуковую, на которой возможен его запуск, что требует мощных стартовых ускорителей. Новый эжекторный ПВРД способен работать во всем диапазоне скоростей, что позволяет использовать его на всех этапах полета ТКС в атмосфере.
Предварительная техническая экспертиза концепции эжекторного ПВРД была выполнена в рамках совместных исследований фирмы Space Access LLC и НИЦ ВВС США. По мнению специалистов Space Access LLC разрабатываемая МТКС позволит снизить стоимость выведения ПГ, а ее эффективность будет в 2,5 раза выше, чем у обычных РН.
Типовая схема полета новой МТКС представляется следующим образом. Производится горизонтальный взлет, разгон и набор высоты с использованием эжекторного ПВРД. При достижении скорости, соответствующей числу М = 2, двигатель переходит на режим «чистого» ПВРД, первая ступень делает «горку» и выходит за пределы атмосферы с использованием ЖРД с последующим отделением второй ступени. Если выведение производится на низкую околоземную орбиту, то вторая ступень включает свой ЖРД и осуществляет выведение ПГ на орбиту, а первая ступень производит посадку на аэродроме. В случае необходимости доставки ПГ на геостационарную орбиту используется третья ступень МТКС. Эта ступень будет способна автоматически выполнять орбитальное маневрирование и приземляться на тот же аэродром, что и первая ступень.
По заявлению руководства фирмы, при таком профиле полета перегрузка не будет превышать 2g, в то время как при использовании одноразовых РН она может доходить до 6g. В интересах привлечения потенциальных заказчиков фирма Space Access LLC предоставила материалы исследований ряду независимых технических экспертов. Одновременно планируется демонстрация работы масштабной модели эжекторного ПВРД (1:3) во
всем диапазоне скоростей, для чего проводится переоборудование одной из высокоскоростных аэродинамических труб ВВС США. Дальнейшие планы фирмы предусматривают постройку пилотируемой масштабной модели ТКС (1:3) для проведения летных испытаний.
НАСА и космическое командование ВВС США участвуют в ряде космических программ как двойного, так и исключительно военного назначения. В основу работ положена концепция двухступенчатой ТКС, состоящей из многоразового разгонщика и верхней ступени. Разгонщик должен развивать скорость, соответствующую числам М = 15–17 и доставлять ПГ массой не менее 5,5 т на высоту около 100 км.
Фирма «Боинг» работает над концепцией многоразового разгонщика с горизонтальным взлетом и посадкой, оснащенного эжекторным ПВРД и обеспечивающим малое время предполетной подготовки в различных условиях эксплуатации и местах взлета и посадки. Последнее обстоятельство требует создания всепогодной автоматической системы посадки для возвращения первой ступени в точку взлета. ТКС разрабатывается для выведения трех вариантов ПГ различного назначения.
Первым вариантом является космический маневренный носитель SMV (Space Maneuver Vehicle), разрабатываемый в интересах обеспечения нового уровня оперативных возможностей США по решению военных задач. Способность выполнения маневра позволит существенно сократить время между выдачей команды на обнаружение цели и началом поступления разведданных.
Вторым видом верхней ступени является разрабатываемая небольшая одноразовая ракета MIS (Modular Insertion Stage) — блочный модуль, способный доставить на орбиту полезный груз массой от 900 до 1800 кг.
Стоимость ступени не должна превышать $ 600 тысяч. В состав ее конструкции войдут дешевые топливные баки из композиционного материала, неохлаждаемые сопла с абляционным покрытием и силовая установка с вытеснительной системой подачи компонентов топлива.
Наконец, третьим видом конструкции верхней ступени для ЛА может стать ВКС общего назначения CAV (Common Aero Vehicle) с массой верхней ступени от 700 до 1100 кг и дальностью полета до 14000 км.

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