«Спираль» развития авиационно-космических систем

Ровно 40 лет назад отделившись от самолёта-носителя Ту-95КМ в свой первый одиночный полёт отправился МиГ-105.11 получивший за свою характерную форму прозвище «лапоть». Это был аналог орбитального корабля, созданного как часть авиационно-космической системы «Спираль» по которой также должны были быть созданы самолёт-разгонщик способный развить скорость в 6М и две ракетные ступени для вывода корабля на орбиту. В итоге были изготовлены только корабль и несколько его копий в масштабе 1:3 которые слетали в космос. Несмотря на это «Спираль» и американский проект X-15 которые были родом из 1960-х оказались ближе всего к завершению из всех проектов воздушного старта космических грузов на данный момент.

Трудности в создании двигателя для гиперзвукового самолёта-разгонщика (ГПВРД) и хроническое невезение преследовали такие проекты. И даже сейчас, когда казалось бы появление первых рабочих ГПВРД (X-43 и X-51) открыло для таких проектов дорогу в космос, появление многоразовых первых ступеней (от SpaceX, Blue Origin и Индии) похоже собирается окончательно поставить на истории этих проектов жирную точку. Что же им всё время так мешало? Об этом и пойдёт речь ниже.

Теория

Чем же так выгоден воздушный старт? Дело в том, что он позволяет экономить в массе ракеты за счёт того что часть скорости и высоты покрываются самолётом-разгонщиком (то есть снижает необходимый запас характеристической скорости или delta-V), также это позволяет ставить сразу на первую ракетную ступень ЖРД с вакуумными соплами, которые имеют больший удельный импульс, что увеличивает эффективность двигателя и также снижает вес ракеты. При этом двигатели самолётов, такие как турбореактивные (ТРД), прямоточные (ПВРД) и даже гиперзвуковые (ГПВРД) — хоть и имеют удельный импульс, падающий с ростом скорости, но он всё равно остаётся существенно выше чем у ЖРД до 10 скоростей звука (10М):

Кроме этого до 1993 года посадка ракетной ступени на двигателях казалась слишком сложной и не рассматривалась как перспективное направление для многоразовых космических систем. Так что подавляющее большинство многоразовых проектов до этого момента так или иначе опирались на концепцию конструкции с крыльями или несущим корпусом и горизонтальную посадку.

Сравнение выгоды воздушного старта от максимальной скорости самолёта-разгонщика:

Как видно из таблицы — скорость в 6М позволяет экономить целую треть от всех расходов для выхода на низкую опорную орбиту (НОО), что для трёхступенчатой ракеты означает что при старте с такого гиперзвукового самолёта мы фактически можете выкинуть первую ступень (которая вносит максимальную долю в общую стоимость ракеты-носителя). Для скоростей порядка 2-2,5М было построено два пассажирских самолёта и бесчисленное число военных, и даже для скоростей чуть выше 3М в СССР и США было изготовлено как минимум по одному самолёту (о которых ниже), характеристики которых позволяли нести значительную нагрузку. При этом на таких скоростях мы всё ещё имеем 20% экономии от необходимой скорости.

Казалось бы, и дозвуковой старт позволяет экономить не мало (вплоть до 10%) — но в данном случае проявляется сразу несколько проблем: для того чтобы получить максимальную выгоду при старте с ограничением ≤1М нам надо забраться как можно выше. Но из-за падения давления воздуха на высоте скорость сваливания (минимальная скорость) нашего самолёта начинает расти, при этом скорость звука (максимальная скорость) наоборот начинает падать. Наиболее показательным в этом планет стал разведывательный самолёт Локхид У-2, который забирался на высоту до 21 км. При крейсерской скорости в 805 км/ч у него было безопасное окно скорости всего в 19 км/ч (который после модернизации самолёта и увеличения его массы уменьшился ещё), выход из которого грозил сваливанием в штопор или даже разрушением самолёта. Этому графику безопасных величин сходящемуся с увеличением высоты в одну точку пилоты дали весьма красочное название «гробовой угол» — от части за то что при испытаниях самолёта из-за этого эффекта погибли три лётчика-испытателя. Для стратегического разведчика с такой опасностью можно было мириться, но для обычного коммерческого «космического извозчика» — это оказывается чрезмерный риск.

Таким образом все современные проекты воздушного старта оказываются ограничены практическим потолком транспортных самолётов, составляющим обычно 10-12 км. На этой высоте у вакуумного сопла ЖРД всё ещё есть существенные потери в эффективности, что означает более медленный старт и большие потери в момент старта ракеты (когда доля потерь и так больше всего). Таким образом нам надо или использовать специально разработанные для таких больших перепадов высот двигатели или делать двигатель с «промежуточным» соплом. Это вынуждает нас фактически делать специализированную ракету-носитель для воздушного старта которая не будет иметь унификации с наземными образцами, или использовать существующие на данный момент компоненты ракет наземного старта не оптимальные для воздушного и терять таким образом значительную часть от его преимуществ.

Существовавшие ранее проекты:

Ракетоплан X-15

Сбрасывался из-под крыла одного из двух выделенных для этого бомбардировщиков B-52 на высоте 13,7 км при скорости около 800 км/ч. После этого ракетоплан запускал свой ЖРД на компонентах этанол/кислород и в зависимости от плана полёта набирал максимальную высоту или скорость, после чего планировал на дно солёного озера и садился на переднюю колёсную стойку и две задних лыжи. Всего ракетопланов было три: 1) X-15-1 — базовая модель совершившая 82 полёта; 2) X-15A-2 — версия сделавшая в общей сложности 53 вылета, на которую в ходе полётов установили дополнительные сбрасываемые баки и абляционную защиту, с помощью которых Уильям Найт смог достигнуть скорости 7247 км/ч в полёте №188; 3) X-15-3 — версия использовавшаяся для высотных полётов, на нём в полётах №90 и 91 Джозеф Уокер смог забраться на высоту выше 100 км — за общепринятую границу космоса (линию Кармана), больше этого не удалось сделать никому за 199 полётов 3-х ракетопланов.

Полёты продолжались с 8 июня 1959 года до 24 октября 1968 года, после 6 переносов 200-го полёта из-за разных причин он был отменён вместе со всей программой 20 декабря 1968 года. В полёте №4 5 ноября 1959 года Скотту Кроссфильду пришлось аварийно садиться из-за небольшого пожара. Не рассчитанный на посадку с полными баками ракетоплан X-15-1 переломился, но лётчик при этом не пострадал. На восстановление повреждений ушло 2,5 месяца. В полёте №74 9 ноября 1962 года двигатель ракетоплана X-15A-2 не смог выйти на полную мощность, из-за чего решено было садиться в не плановом месте и с превышением лимитов по массе и скорости, от чего ракетоплан при посадке перевернулся и загорелся, лётчик Джон Маккей получил серьёзные увечья. Ракетоплан X-15-3 был вовсе потерян в полёте №191 15 ноября 1967 года, когда при входе в атмосферу он попал в штопор, лётчик Майкл Адамс погиб. Оба оставшихся целыми X-15 сейчас экспонируются в музеях.

X-15 мог с трудом мог добраться до космоса (что сейчас легко делает New Glenn стартующий с земли) так как его топливо было далёким от идеала, имея удельный импульс всего в 276 сек. Это позволяло ракетоплану иметь запас характеристической скорости 2,4 км/с — намного меньше минимальных необходимых для выхода на орбиту 7,8 км/с. Но для этой проблемы было элегантное решение: предполагалось разработать для ракетоплана X-15-3 дельтовидные крылья, рассчитанные на большие скорости, а сам ракетоплан собирались запускать с дополнительной ракетной ступенью со спины стратегического бомбардировщика XB-70 «Валькирия». Новые крылья для ракетоплана продувались в аэродинамической трубе с 1966 года вплоть до катастрофы X-15-3 поставившей точку на этой идее.

Лётные испытания двух построенных «Валькирий» шли нормально вплоть до 14 октября 1965 года, когда у первого образца при испытаниях на скорости >3М набегающий поток воздуха сорвал с левого крыла 60 см его сотовой конструкции. Скорость этого прототипа решено было ограничить М=2,5. При совместных показательных полётах второго образца «Валькирии» и F-104 «Старфайтер» 8 июля 1966 года последний засосало и ударило об крыло «Валькирии» турбулентным потоком. Пилотировавший F-104 Джосеф Уокер (поставивший рекорд высоты на X-15) погиб при ударе, «Валькирия» от полученных повреждений свалилась в плоский штопор и разбилась, один из двух её пилотов не смог катапультироваться и также погиб.

Полёты оставшейся «Валькирии» продолжались до 4 февраля 1969 года уже с ограничениями скорости, пока этот проект и вовсе не был закрыт тогдашним министром обороны Робертом Макнамарой вместе с другим примечательным проектом — космопланом X-20 «Динозавр».

Параллельно со сбросами ракетопланов «Стратосферные крепости» B-52 участвовали в испытаниях NASA аппаратов с несущим корпусом названных за их форму и посредственную аэродинамику «летающими ванными» — корабли серии M2-F1, M2-F2 и M2-F3 (по центру). Как высказывался об этом летательном аппарате Милтон Томпсон: «если бы человек выпал из B-52 в момент отделения M2-F1 от самолёта, то аппарат опередил бы его у Земли». В дальнейшем аэродинамику улучшили, благодаря чему появились HL-10 (справа) и X-25A (слева), но все эти аппараты имели лишь небольшие двигатели и предназначались исключительно для исследования аэродинамики при спуске с орбиты что, в итоге легло в основу конструкции «Спейс Шаттла». Так что рекордом для всех трёх аппаратов стали результаты в 1976 км/ч по скорости и 27524 м по высоте показанные на HL-10 в полётах 18 и 27 февраля 1970 года соответственно.

«Спираль»

Сердцем программы должен был стать гиперзвуковой самолёт-разгонщик, который должен был развивать 4-6М. В начале этот проект хотели поручить ОКБ Туполева (уже занимавшемся в тот момент Ту-144) но в итоге он от него отказался. Проект приняло ОКБ Микояна которое проводило продувки моделей самолёта в аэродинамической трубе вплоть до закрытия проекта. Самолёт-разгонщик разгонялся с помощью разгонной тележки до скорости 400 км/ч после чего запускал свои двигатели и отрывался от земли. Для улучшения аэродинамики после взлёта нос самолёта поднимался, ограничивая тем самым обзор в низ — такой вариант использовался на Ту-144 и «Конкорде», а для советского бомбардировщика Т-4 пошли ещё дальше и сделали кабину полностью закрывающейся.

Так как базовое топливо для ракетных ступеней (фтор/водород) и топливо для ГПВРД самолёта-разгонщика (водород) до этого не применялось для этих целей — решено было на начальном этапе разработать промежуточный вариант системы с несколько худшими показателями. Однако даже этот промежуточный вариант должен был стать по многим показателям лучше всего что было создано до этого, а основной вариант системы и вовсе поражает воображение:

Таким образом данная система могла вывести на орбиту груз в 10+ тонн при стартовой массе всего в 115 тонн — то есть полезный груз составлял около 10% стартовой массы! Это является просто немыслимым показателем для современных химических ракет, которые выводят на орбиту в среднем 3,5% от собственной массы (и только у самой тяжёлой версии полностью водородной Delta IV этот показатель достигает 3,9%). Такие характеристики достигались ГПВРД самолёта-разгонщика, которому не надо было тащить с собой в стратосферу окислитель, и фторным топливом ракетных ступеней которое имело удельный импульс в 479 сек в вакууме.

Не смотря на одновременный старт создания разгонщика, двигателей к нему и орбитального корабля, к закрытию проекта в начале 70-х двигатель был не готов, продувки моделей разгонщика продолжались до 1975 года, а только 25 апреля этого года (уже после официального закрытия проекта) — самолёт-аналог МиГ-105.11 был передан с завода-изготовителя для испытаний.

В первые самолёт-аналог МиГ-105.11 был сброшен с Ту-95КМ в своём 11 совместном полёте 27 октября 1977 года, после чего приземлился ВПП Грошево. Испытания аналога проходили до 13 сентября 1978 года, когда из-за ошибки руководителя полёта при заходе на посадку по неправильному курсу в вечернее время пилота ослепило Солнце, в результате чего произошла жёсткая посадка повредившая шасси. 24 октября самолёт был отправлен на подвесе того же Ту-95КМ на Тушинский машиностроительный завод для ремонта. Хотя самолёт-аналог в дальнейшем и отремонтировали, однако этот полёт на ТМЗ так и остался для МиГ-105.11 последним.

После официального закрытия проекта оставалась надежда на использования для старта орбитального корабля самолётов из других проектов, более всего на эту роль подходил проект Т-4 ОКБ Сухого, история которого по своему интересна. Так как у СССР не было возможности создать столь большое число авианосных группировок сколько было у США, для борьбы с ними требовалось найти какой-то другой способ. Обычное ядерное оружие для этих целей не подходило, так как за время между получением информации о место положении авианосца и подлётом ракеты он мог выйти из радиуса поражения. Поэтому было предложено для этой цели создание небольшой группировки стратегических бомбардировщиков с ядерным ракетным вооружением.

Расчёты показывали, что для прорыва ПВО авианосного соединения они должны были иметь весьма высокую скорость — порядка 3М. В конкурсе участвовало 3 конструкторских бюро: ОКБ Туполева с проектом Ту-135, ОКБ Яковлева с проектом Як-35 и ОКБ Сухого с проектом Т-4. В итоге выиграл проект ОКБ Сухого, а сам Сухой и Туполев при этом поссорились, что привело к их знаменитому разговору при обсужденАии будущего данного проекта:

Туполев: «Сухой — мой ученик, я его знаю — он с темой не справится.»
Сухой: «Именно потому, Андрей Николаевич, что я ваш ученик, я с ней справлюсь.»

В итоге один экземпляр Т-4 всё-таки был построен и проходил испытания вплоть до перехода на сверхзвук, но из-за того, что Туполев в итоге смог добиться того чтобы новые образцы Т-4 не стали производить на Казанском авиационном заводе — проект в итоге затормозился и вскоре был закрыт.

Для дальнейших испытаний орбитального корабля уже были изготовлен МиГ-105.12 (для испытаний на сверхзвуке) и приступили к строительству МиГ-105.13 (уже для испытаний на гиперзвуке). Оба этих аналога не были закончены до конца к моменту начала строительства «Бурана», когда их строительство полностью было свёрнуто, при этом третий аналог всё же проходил испытания в термобарокамере в то время как второй просто простоял на ТМЗ до конца 70-х. Сейчас единственный летавший экземпляр МиГ-105.11 стоит в Центральном музее военно-воздушных сил в Монино, бок о бок с Т-4 и со сверхзвуковым пассажирским Ту-144 (история которого была немногим удачливее).

МАКС

Проект предусматривающий старт с АН-325 (увеличенной версии АН-225, построенный для перевозки «Бурана», центрального бака ракета-носителя «Энергия» и других негабаритных грузов весом до 250 тонн которых он может нести внутри фюзеляжа или на внешней подвеске). Конструкция общим весом в 275 тонн включающая бак, орбитальный корабль и 7 тонн полезной нагрузки должны были выходить на орбиту благодаря уникальному в своём роде двухкамерному двигателю РД-701 работавший на компонентах топлива керосин+водород/кислород. Двигатель имел два режима: в первом из них для увеличения тяги в обе камеры подавалась значительная доля керосина (что обеспечивала в 2,5 раза большую тягу), при этом в дальнейшем двигатель переходил на второй режим в котором подача керосина полностью прекращалась (обеспечивая на 10% больший удельный импульс):

Проект имел широкую известность, но так и не получил должного финансирования. Не смотря на свой уникальный двигатель проект наследует все технические недостатки дозвукового носителя, а также имеет свой собственный — это трёхкомпонентный бак, в котором надо обеспечивать теплоизоляцию трёх компонентов топлива (водород, кислород, керосин) которые должны храниться при разных температурах (около 20К, 50К и 300К соответственно). Намного более перспективным в данном плане (по моему личному мнению конечно) мог бы стать полный отказ от самолёта-носителя в пользу наземного старта, с использованием сбрасываемых баков и сохранением одноступенчатой схемы — это позволило бы решить проблему теплоизоляции стандартными системами дренажа (когда разогреты компоненты топлива сбрасываются, а баки подпитываются за счёт наземных систем до момента пуска).

Европейских проектов было сразу несколько:

Проект RT-8 немецкой фирмы «Юнкерс» — предусматривал старт двухступенчатой крылатой ракеты с 3-километровой тележки с разгоном до 900 км/ч, также рассматривался воздушный старт. Обе ступени предполагали посадку на землю, вторая ступень предполагала вывод чуть менее 3 тонн на орбиту, также предусматривался перелив топлива водород/кислород из 1-й ступени во 2-ю. Проект завершился с закрытием фирмы в 1969 году.

Оригинальный проект MUSTARD британской авиастроительной фирмы BAC — предусматривавший запуск трёх одинаковых аппаратов общим весом около 424 тонны. После набора 2 км/с скорости и 56 км высоты двигатели отключались, и два крайних аппарата перекачивали оставшееся топливо водород/кислород в средний аппарат, после чего отделялись и садились по-самолётному. Полезная нагрузка должна была достигать 5 тонн, проект не вышел за стадию начальной конструкторской проработки, но получил значительную известность в СМИ.

Британский проект EAG.4396 предусматривавший запуск корабля и ракетной ступени с самолёта при скорости 4М. Ракетная ступень имела в качестве топлива керосин/кислород и два сбрасываемых бака. По проекту прорабатывались разные варианты корабля/ракеты в качестве носителя, но из-за его военной направленности о нём практически ничего не известно.

Проект «Le transporteur aerospatial» французской фирмы Dassault Aviation — это самолёт-разгонщик с ПВРД, разгонная ступень и ракетоплан в которых в качестве топлива должен был использоваться водород на всех стадиях.

Современные проекты

Это ракета-носитель «Pegasus XL» — это запускаемая на высоте 12,4 км с модифицированного широкофюзеляжного пассажирского самолёта Lockheed L-1011 «Трайстар» ракета-носитель сверхлёгкого класса. Вес ракеты составляет 23,12 тонны, а полезная нагрузка может достигарть 443 кг. С 1990 года было запущено всего 43 ракеты этого класса, при этом с середины 2013 года у Orbital ATK было всего 2 контракта с NASA по которым за 55 млн $ был запущен спутник CYGNSS 15 декабря 2016 года, а 8 декабря 2017 года должен полететь спутник ICON уже по цене 56,3 млн $, после чего у фирмы вовсе не остаётся контрактов. И это не удивительно: после появления на рынке SpaceX запускающей для NASA тонны грузов по цене в районе 87 млн $, смысл от использования «Пегасов» практически пропал. А для коммерческих заказчиков, которым запуск на ракете Falcon 9 обходится в 62 млн $ — «Пегас» выглядит ещё более неприглядным предложением.

Запуск 8 микроспутников в 28,9 кг каждый по миссии слежения за ураганами CYGNSS от NASA

Несмотря на это фирма не отказываться от своей крылатой ракеты и даже подписала в октябре 2016 года договор на их запуски с самого большого в мире самолёта Stratolaunch позволяющей нести по 3 «Пегаса» сразу. Но с новостями о первых тестах ракеты «Электрон» от Rocket Lab, возвратом к полётам японской ракеты SS-520-4 до конца 2017 года, первыми суборбитальными полётами ракеты Vector-R и готовящейся к полётам Firefly Alpha (имеющим тот же класс грузоподъёмности, но в 6-10 раз меньшую стоимость) — шансов у этого проекта практически не остаётся.

Проект швейцарского суборбитального корабля SOAR, использовавший в себе наработки другого европейского проекта «Гермес». Предполагалось что суборбитальный корабль будет запускать дополнительную ракетную ступень (которую по договору должна была производить РКК «Энергия») что позволяло бы выводить до 250 кг на орбиту. Первые тестовые полёты должны были стартовать в 2016 году, но из-за финансовых проблем к концу этого года фирма объявила о банкротстве. Дальнейшая судьба проекта находится под вопросом.

В отдельную категорию можно отнести проекты SSTO:

Это другая перспективная ветвь развития средств вывода на орбиту именуемая «single-stage-to-orbit» — выход одной ступенью на орбиту. Главной проблемой при данном подходе является необходимость набрать 7,8 км/с орбитальной скорости и 200 км высоты необходимых для опорной орбиты, при этом гравитационные и аэродинамические потери приводят к тому что такой корабль должен иметь запас характеристической скорости в 9-10 км/с.

Это весьма жёсткие условия для корабля с ЖРД, так как для самой эффективной топливной пары водород/кислород которая используется на данный момент, имеет удельный импульс 3816 м/с на уровне моря и 4462 м/с в вакууме — по формуле Циолковского выходит, что корабль должен в таком раскладе иметь соотношение собственной массы к массе топлива около 1:10 а то и больше — то есть на двигатели, баки, систему управления и полезную нагрузку должно приходиться меньше 10% массы. При этом массовое совершенство современных ракет использующие алюминий-литиевые сплавы и углеволокно достигает 5% от веса только при компонентах керосин/кислород, а в случае водород/кислородного топлива — этот показатель оказывается ещё меньше. То есть на полезную нагрузку практически ничего не остаётся. При этом реальная возможность реализации такого проекта появилась совсем недавно, с первыми экспериментами по использованию в качестве конструкционного материала для самой ракеты и её баков углеродного волокна — прежние материалы не давали шансов получить необходимого массового совершенства.

X-30 — проект многоразового корабля, прорабатывавшийся в 1982-1993 годах. В качестве двигателя в проекте предлагалось использовать ГПВРД, для охлаждения обшивки и рекуперации энергии — предлагалось прокачивать под обшивкой водород, который после нагрева должен был выбрасываться позади корабля создавая дополнительную тягу. В качестве обшивки рассматривались сплавы титана и алюминия и карбон-карбоновые композиты (использовавшиеся также в Шаттлах и на Буране). Проект был закрыт из-за технических проблем — в частности отсутствия действующих образцов ГПВРД, которые в дальнейшем были разработаны и произведены в проектах X-43 и X-51.

Проект «КОРОНА» от «ГРЦ Макеева» прорабатывавшийся с 1992 по 2012 год — это одноступенчатая ракета-носитель около 300 тонн веса которая по мере развития проекта (и перехода с алюминий/магниевых сплавов на углепластик) полезная нагрузка росла с 1 до 7,5 тонн груза. Проект не получил должного финансирования и был закрыт в 2013 году.

Британский проект HOTOL стартовавший в 1982 году, и его идеологический наследник Skylon стартовавший в 2004 году и должен привести к первым испытательным полётам в районе 2025 года — это проект многоразового космического корабля с гибридными водородными двигателями, которые должны работать до скорости в 5,4М и высоты в 26 км, после чего переходить на использования собственных баков с кислородом. Корабль должен доставлять до 17 тонн на НОО и до 7,3 тонн на ГПО. Общая стоимость проекта оценивается в 12 млрд $, по планам корабль должен использоваться до 200 раз.

Проект «Дельта клиппер»

Также именуемый просто как DC-X, этот проект стал первой попыткой продемонстрировать жизнеспособность идеи SSTO «в металле», и первой ракетой которая села на реактивной тяге 18 августа 1993 года (став тем самым основой для «Кузнечика» от SpaceX). По программе было осуществлено 5 полётов последний из которых закончился жёсткой посадкой, повредившей корпус ракеты. Данный испытательный образец решено было не восстанавливать, а изготовить новый (DC-XA) который на свой 3-й полёт смог подняться на высоту в 3140 метров (в 4 раза выше полётов «Кузнечика»), но посадке после следующего полёта одна из опорных ног не вышла из-за чего ракета упала и загорелась (что усугубилось утечкой из бака кислорода). Хотя затраты на проект на тот момент составляли всего 110 млн $ (в пересчёте на текущие цены) — от проекта было решено отказаться в пользу следующего в списке:

Сравнение размеров X-33, VentureStar и Шаттла

Американский проект VentureStar — стартовавший в 1992 году, был весьма немалых размеров как можно судить по схеме: при стартовой массе в тысячу тонн 20 из них должны приходиться на полезную нагрузку. По проекту должен был быть построен и испытан его уменьшенный аналог — X-33, после чего к 2004 году должен был быть построен уже полноразмерный корабль. Из-за проблем с композитным баком жидкого водорода и другими техническими проблемами X-33 так и не был достроен, что вызвало отмену всего проекта. В дальнейшем NASA удалось решить проблему с композитными баками и ряд других проблем — но было уже поздно. На основе наработок этих проектов сейчас разрабатывается проект XS-1 под эгидой DARPA:

P.S. Если вас заинтересовала тема воздушного старта — я бы вам порекомендовал книгу «Космические крылья» В.П. Лукашевича и И.Б. Афанасьева, где тема существовавших ранее проектов (вроде X-15 и «Спирали» и множества других) освещается намного подробнее.

Автор: Денис Нырков

Источник