Под многоразовым космическим кораблём подразумевается такой аппарат, конструкция которого позволяет повторно использовать весь корабль или его основные части. Первым опытом в этой сфере стал «космический челнок» Space Shuttle. Затем задачу создания аналогичного аппарата поставили советским учёным, в результате чего появился «Буран».
В обеих странах проектируют и другие аппараты. На данный момент самым заметным примером проектов такого типа является частично многоразовый Falcon 9 от компании SpaceX с возвращаемой первой ступенью.
Сегодня поговорим о том, зачем подобные проекты разрабатывали, как они показали себя с точки зрения эффективности и какие перспективы у этого направления космонавтики.
История космических челноков началась в 1967 году, до первого пилотируемого полёта по программе «Аполлон». 30 октября 1968 года НАСА обратилось к американским космическим компания с предложением проработать многоразовую космическую систему с целью снижения затрат на каждый пуск и на каждый килограмм полезного груза, выведенного на орбиту.
Правительству предложили несколько проектов, но каждый из них стоил не менее пяти миллиардов долларов США, так что Ричард Никсон отверг их. Планы у НАСА были крайне амбициозные: проект подразумевал работу орбитальной станции, на которую, и с которой, челноки постоянно возили бы полезные грузы. Также челноки должны были запускать и возвращать спутники с орбиты, обслуживать и ремонтировать спутники на орбите, проводить пилотируемые миссии.
Финальные требования к кораблю выглядели так:
- Грузовой отсек 4,5х18,2 метра
- Возможность горизонтального маневра на 2000 км (маневр самолета в горизонтальной плоскости)
- Грузоподъёмность 30 тонн на низкую околоземную орбиту, 18 тонн на полярную орбиту
Решением стало создание шаттла, инвестиции в который должны были окупиться благодаря выводу на орбиту спутников на коммерческой основе. Для успеха проекта было важно максимально снизить стоимость вывода каждого килограмма груза на орбиту. В 1969 году создатель проекта говорил о снижении стоимости до 40-100 американских долларов за килограмм, в то время как для Сатурн-V этот показатель составлял 2000 долларов.
Для запуска в космос шаттлы использовали два твердотопливных ракетных ускорителя и три собственных маршевых двигателя. Твердотопливные ракетные ускорители отделялись на высоте 45 километров, затем приводнялись в океан, ремонтировались и использовались повторно. Главные двигатели используют жидкий водород и кислород в подвесном топливном баке, который отбрасывался на высоте 113 километров, после чего частично сгорал в атмосфере.
Первым прототипом «Спейс Шаттла» стал «Энтерпрайз», названный так в честь корабля из сериала «Звёздный путь». Корабль проверяли на аэродинамичность и тестировали на способность приземлиться при планировании. В космос первым отправилась «Колумбия» 12 апреля 1981 года. Фактически это тоже был испытательный пуск, хотя при этом на борту находился экипаж в составе двух астронавтов: командира Джона Янга и пилота Роберта Криппена. Тогда всё сложилось удачно. К сожалению, именно этот шаттл потерпел крушение в 2003 году с семью членами экипажа, на 28 пуске. Такая же судьба была у «Челленджера» — он выдержал 9 пусков, а на десятом — потерпел крушение. 7 членов экипажа погибли.
Хотя НАСА в 1985 году планировали по 24 запуска ежегодно, за 30 лет использования шаттлов они взлетали и вернулись 135 раз. Два из них — неудачно. Рекордсменом по количеству пусков стал шаттл «Дискавери» — он пережил 39 стартов. «Атлантис» выдержал 33 пуска, «Колумбия» — 28, «Индевор» — 25 и «Челленджер» — 10.
«Челленджер», 1983 год
Шаттлы «Дискавери», «Атлантис» и «Индевор» использовались для доставки грузов на Международную космическую станцию и на станцию «Мир».
Стоимость доставки грузов на орбиту в случае со Спейс шаттлами оказалась самой высокой за всю историю космонавтики. Каждый пуск стоил от 500 миллионов до 1,3 миллиардов долларов, каждый килограмм — от 13 до 17 тысяч долларов. Для сравнения, одноразовая ракета-носитель «Союз» способна выводить в космос грузы по цене до 25 тысяч долларов за килограмм. Программа «Спейс Шаттл» планировалась как самоокупаемая, но в итоге стала одной из самых убыточных.
Шаттл «Атлантис», готовый к экспедиции STS-129 по доставке оборудования, материалов и запчастей на Международную космическую станцию. Ноябрь 2009 года
Последний полёт по программе «Спейс Шаттл» состоялся в 2011 году. 21 июля того года Землю вернулся «Атлантис». Последняя посадка «Атлантиса» ознаменовала собой конец целой эпохи. Подробно о том, что планировали, и что получилось в программе «Спейс Шаттл», читайте в этой статье.
В СССР решили, что характеристики «Спейс шаттла» позволяют похищать с орбиты советские спутники или целую космическую станцию: челнок мог выводить на орбиту 29,5 тонн груза, а спускать — 14,5 тонн. С учётом планов в 60 пусков в год это 1770 тонн ежегодно, хотя на тот момент США не отправляли в космос и 150 тонн за год. Спускать предполагалось 820 тонн в год, хотя обычно с орбиты ничего не спускалось. Чертежи и фото шаттла позволяли предположить, что американский корабль может с помощью ядерных боеприпасов атаковать СССР из любой точки околоземного пространства, находясь вне зоны радиовидимости.
Для защиты от возможного нападения на станциях «Салют» и «Алмаз» установили модернизированную автоматическую 23-миллиметровую пушку НР-23. А чтобы не отставать от американских братьев в военнизированном космосе, в Союзе начали разработку орбитального корабля-ракетоплана многоразовой космической системы «Буран».
Разработка многоразовой космической системы началась в апреле 1973 года. Сама идея имела множество сторонников и противников. Руководитель института Минобороны по военному космосу подстраховался и сделал сразу два отчёта — в пользу и против программы, и оба эти отчёта оказались на столе Д. Ф. Устинова, Министра обороны СССР. Он связался с Валентином Глушко, ответственным за программу, но тот отправил на встречу вместо себя своего сотрудника в «Энергомаше» — Валерия Бурдакова. После разговора на тему военных возможностей «Спейс Шаттла» и советского аналога, Устинов подготовил ршение, по которому разработка многоразового космического корабля получила самый высокий приоритет. За создание корабля принялось созданное для этих целей НПО «Молния».
Задачами «Бурана» по плану Минобороны СССР были: противодействие мероприятиям вероятного противника по расширению использования космического пространства в военных целях, решение задач в интересах обороны, народного хозяйства и науки, проведение военно-прикладных исследований и экспериментов с использованием оружия на известных и новых физических принципах, а также выведение на орбиту, обслуживание и возвращение на землю космических аппаратов, космонавтов и грузов.
В отличие от НАСА, которое рискнуло экипажем во время первого пилотируемого полёта шаттла, свой первый полёт «Буран» совершил в автоматическом режиме с помощью бортового компьютера на базе IBM System/370. 15 ноября 1988 года состоялся пуск, ракета-носитель «Энергия» вывела космический корабль на околоземную орбиту с космодрома Байконур. Корабль совершил два витка вокруг Земли и произвёл посадку на аэродроме «Юбилейный».
Во время посадки произошло происшествие, которое показало, насколько умной получилась автоматическая система. На высоте 11 километров корабль совершил резкий манёвр и описал петлю с разворотом на 180 градусов — то есть сел, зайдя с другого конца посадочной полосы. Это решение автоматика приняла после получения данных о штормовом ветре, чтобы зайти по наиболее выгодной траектории.
Автоматический режим был одним из главных отличий от шаттла. Кроме того, шаттлы садились с неработающим двигателем и не могли несколько раз заходить на посадку. Для спасения экипажа в «Буране» предусмотрели катапульту для первых двух пилотов. По сути конструкторы из СССР скопировали конфигурацию шаттлов, чего не отрицали, но сделали ряд крайне полезных нововведений с точки управления аппаратом и безопасности экипажа.
К сожалению, первый полёт «Бурана» стал последним. В 1990 году работу приостановили, а в 1993 — полностью закрыли.
Как иногда случается с предметами гордости нации, версия 2.01 «Байкал», которую хотели отправить в космос, гнил долгие годы на причале Химкинского водохранилища.
К истории вы могли прикоснуться в 2011 году. Более того, тогда от этой истории люди даже куски обшивки и теплозащитного покрытия могли оторвать. В том году корабль доставили из Химок в Жуковский, чтобы реставрировать и представить на МАКСе через пару лет.
«Буран» изнутри
Доставка «Бурана» из Химок в Жуковский
«Буран» на МАКСе, 2011 год, через месяц после начала реставрации
Несмотря на экономическую нецелесообразность, которую показала программа «Спейс Шаттл», США решили не отказываться от проектов по созданию многоразовых космических кораблей. В 1999 году НАСА вместе с Boeing начало разработку беспилотника X-37. Существуют версии, по которым аппарат предназначен для обкатки технологий будущих космических перехватчиков, способных выводить из строя другие аппараты. К такому мнению склоняются эксперты в США.
Аппарат совершил три полёта максимальной продолжительностью 674 суток. В данный момент он совершает четвёртый полёт, дата запуска — 20 мая 2015 года.
Орбитальная летающая лаборатория Boeing X-37 несёт массу полезного груза до 900 килограммов. По сравнению со «Спейс Шаттлом» и «Бураном», способными нести до 30 тонн при взлёта, Boeing — малыш. Но у него и цели другие. Начало минишаттлам положил австрийский физик Эйген Зенгер, когда в 1934 году приступил к разработке дальнего ракетного бомбардировщика. Проект закрыли, вспомнив о нём в 1944 году, к концу Второй мировой войны, но спасать Германию от поражения с помощью такого бомбардировщика было поздно. В октябре 1957 года идею продолжили американцы, запустив программу X-20 Dyna-Soar.
Орбитальный самолёт X-20 был способен после выхода на суборбитальную траекторию нырнуть в атмосферу до высоты 40-60 километров с целью сделать фото или сбросить бомбу, после чего вернуться в космос на подъёмной силе от крыльев.
Проект закрыли в 1963 году в пользу гражданской программы Gemini и военного проекта орбитальной станции MOL.
Ракеты-носители Titan для вывода X-20 на орбиту
Макет X-20
В СССР в 1969 году начали строить «БОР» — беспилотный орбитальный ракетоплан. Первый пуск провели без теплозащиты, из-за чего аппарат сгорел. Второй ракетоплан разбился из-за нераскрывшихся парашютов после успешного торможения об атмосферу. В следующих пяти пусков только один раз БОР не вышел на орбиту. Несмотря на потери аппаратов, каждый новый старт приносил важные для дальнейшей разработки данные. С помощью БОР-4 в 1980-х годах тестировали теплозащиту для будущего «Бурана».
В рамках программы «Спираль», для которой строили «БОР», предполагалось разработать самолёт-разгонник, который бы поднимался на высоту 30 километров на скорости до 6 скоростей звука, чтобы вывести орбитальный аппарат на орбиту. Эта часть программы не состоялась. Минобороны требовала аналог американского шаттла, так что силы бросили на «Буран».
БОР-4
БОР-4
Если советский «Буран» был частично скопирован с американского «Спейс Шаттла», то в случае с «Dream Chaser» всё произошло с точностью до наоборот: заброшенный проект «БОР», а именно ракетоплан версии «БОР-4», стал основой для создания многоразового космического корабля от компании SpaceDev. Вернее, «Space Chaser» основан на скопированном орбитальном самолёте HL-20.
Работы над «Бегущим за мечтой» начались в 2004 году, а в 2007 году SpaceDev договорились с United Launch Alliance об использовании для запуска ракет «Атлас-5». Первые успешные испытания в аэродинамической трубе прошли в 2012 году. Первый лётный прототип сбросили с вертолёта с высоты 3,8 километра 26 октября 2013 года.
Грузовая версия корабля по планам конструкторов сможет доставлять на Международную космическую станцию до 5,5 тонн, а возвращать до 1,75 тонны.
Свой вариант многоразовой системы в 1985 году начали разрабатывать немцы — проект назывался «Зенгер». В 1995 году, после разработки двигателя, проект закрыли, так как он дал бы выгоду только в 10-30% по сравнению с европейской ракетой-носителем «Ариан 5».
Летательный аппарат HL-20
«Dream Chaser»
На смену одноразовым «Союзам» в России с 2000 годов начали разрабатывать многоцелевой космический корабль «Клипер». Система стала промежуточным звеном между крылатыми шаттлами и баллистической капсулой «Союза». В 2005 году в целях сотрудничества с Европейским космическим агентством была представлена новая версия — крылатый «Клипер».
Аппарат может выводить на орбиту 6 человек и до 700 килограммов груза, то есть превосходит по этим параметрам «Союз» в два раза. На данный момент нет информации о том, что работа проекта продолжается. Вместо этого в новостях пишут о новом многоразовом корабле – «Федерация».
Многоцелевой космический корабль «Клипер»
Пилотируемый транспортный корабль «Федерация» должен придти на смену пилотируемым «Союзам» и грузовикам «Прогрессам». Его планируют использовать в том числе для полёта на Луну. Первый запуск запланирован на 2019 год. В автономном полёте аппарат должен будет способен находиться до 40 суток, а при стыковке с орбитальной станции он сможет работать до 1 года. На данный момент завершена разработка эскизного и технического проектов, идёт разработка рабочей документации по созданию корабля первого этапа.
Система состоит из двух основных модулей: возвращаемого аппарата и двигательного отсека. В работе применят идеи, которые ранее использовали для «Клипера». Корабль сможет доставлять до 6 человек на орбиту и до 4 человек на Луну.
Параметры аппарата «Федерация»
Одним из самых заметных в СМИ на данный момент многоразовых проектов являются разработки SpaceX — транспортный корабль Dragon V2 и ракета-носитель Falcon 9.
Falcon 9 является частично возвращаемым аппаратом. Ракета-носитель состоит из двух ступеней, первая из которых имеет систему для возврата и вертикального приземления на посадочную площадку. Последний запуск не был удачным — 1 сентября 2016 года произошла авария.
Многоразовый пилотируемый корабль Dragon V2 сейчас готовят к тестированию на безопасность для астронавтов. В 2017 году планируют провести беспилотный запуск аппарата на ракете Falcon 9.
Многоразовый пилотируемый корабль Dragon V2
В рамках подготовки к полёту экспедиции на Марс в США разработали многоразовый космический корабль Orion. Сборку корабля завершили в 2014 году. Первый беспилотный полёт аппарата состоялся 5 декабря 2014 года и прошёл успешно. Теперь НАСА готовится к дальнейшим пускам, в том числе с экипажем.
Авиация, как правило, подразумевает многоразовое использование летательных аппаратов. Таким же свойством в будущем должны будут обладать и космические аппараты, но для этого предстоит решить ряд проблем, включая экономические. Каждый запуск многоразового корабля должен выходить дешевле, чем строительство одноразового. Необходимо использовать такие материалы и технологии, которые позволят повторно запускать аппараты после минимального ремонта, а в идеале — вообще без ремонта. Возможно, космические корабли в будущем станут обладать одновременно как характеристиками ракеты, так и самолёта.
Автор: ivansychev
