Еще в самом начале XX века, при зарождении современной космонавтики, многие теоретики полагали, что её развитие будет следовать по пути авиации. Они считали, что ракетные двигатели, установленные на самолётах, позволят человеку достичь космических высот и скоростей. Предполагалось, что со временем появятся специализированные космические аппараты, взлетающие при помощи крупных ракет или самолётов-носителей, выходящие на орбиту и возвращающиеся на аэродромы с помощью планирования. Многократное использование таких систем, по мнению теоретиков, сделало бы внеземные полёты доступными для широкой публики. Однако, несмотря на наступление нового века, разработка многоразовых ракетно-космических систем остаётся малораспространённой областью, вызывая постоянные дебаты о её перспективности. Что же препятствует её развитию? До Второй мировой войны наиболее активно ракетостроение, направленное на покорение космоса, развивалось в Германии, где сложилось сообщество энтузиастов, приступивших к практической реализации своих идей.
Широкую известность получил австрийский инженер Макс Валье, увлечённый с юности фантастикой, астрономией и нетрадиционными космологическими теориями. Он посвятил себя идее межпланетных путешествий, и в 1924 году выпустил книгу “Прорыв в мировое пространство. Техническая возможность”, ставшую популярной среди широкой аудитории.
В книге автор изложил план космической экспансии, которую, по его мнению, уже можно было начинать. Первый этап предусматривал исследование характеристик всех известных типов ракет. На втором Валье собирался испытать ракеты на транспортных средствах: велосипедах, автомобилях, дрезинах, лодках и санях. Третий должен был начаться с установки ракетных двигателей на самолёты. На четвёртом этапе появилась бы возможность построить ракетоплан, который бы достиг стратосферы, а позже, после модернизации, поднялся бы до границы космоса. Преодолев ее, аппарат стал бы внеземным объектом. Технической вершиной своего плана Валье обозначил запуск межпланетного корабля с крылатой ракетой в качестве первой разгонной ступени.
Австрийский энтузиаст довел реализацию плана до второго этапа. Его эксперименты с гоночными автомобилями, снабжёнными ракетными ускорителями, неизменно вызывали восторг публики. Однако 17 мая 1930 года Макс Валье погиб при взрыве ракетного двигателя на стенде; пресса назвала его первой жертвой межпланетных полётов.
Старт «Фау-2» / Bundesarchiv, Bild 141-1879
За книгами и опытами Валье внимательно следили коллеги, в том числе молодой инженер Вернер фон Браун. Он вспомнил об идеях австрийца, когда возглавил ракетную программу Третьего рейха и с другими сотрудниками исследовательского центра Пенемюнде разработал ускоритель для истребителя He-112. В апреле 1937 года испытания экспериментальной машины доказали принципиальную возможность авиаполёта с жидкостным ракетным двигателем. Но машина оказалась очень капризной, поэтому от конструирования серийного варианта отказались.
И всё же главной задачей, которую гитлеровцы поставили перед командой фон Брауна, было создание не пилотируемых ракетопланов, а больших баллистических ракет А-4 («Фау-2»), способных доставить боеголовку массой 1000 кг на расстояние 300 км. В сентябре 1944-го немецкие войска начали обстреливать этими ракетами Лондон, однако к тому времени союзники по антигитлеровской коалиции наступали на Германию, фронты приближались к Берлину, и новая ракета теряла своё значение как стратегическое оружие. Чтобы увеличить дальность её действия, фон Браун предложил снабдить А-4 короткими крыльями. Немецким инженерам удалось даже провести несколько испытательных пусков, но проекту это не помогло — вскоре война завершилась сокрушительным разгромом Германии.
В результате все передовые разработки, включая реактивные самолёты, ракетопланы и баллистические ракеты дальнего действия, достались победителям. Изучая трофеи, американские специалисты обнаружили, что существовал ещё один условно космический проект, посвящённый созданию высотного межконтинентального бомбардировщика Silbervogel («Серебряная птица»). Его конструированием занимался институт под руководством австрийского учёного Эйгена Зенгера. С помощью ракетных двигателей бомбардировщик должен был подняться до высоты 260 км, а потом совершить серию снижений с «отскоком» от верхних слоёв атмосферы — как плоский камешек, который прыгает по воде. Такая волнообразная схема полёта позволяла Silbervogel долететь из Германии до Нью-Йорка, сбросить на него бомбу, а затем приземлиться в другом полушарии, преодолев в общей сложности 23 500 км. Проект выглядел многообещающе, однако летом 1942 года его свернули, поскольку он требовал значительного финансирования и десяти лет работы — нереальные условия в ситуации начавшейся войны с СССР. Кроме того, не было ясно, справятся ли конструкторы с решением ключевых вопросов, связанных с аэродинамической устойчивостью, надёжностью двигателя, сохранностью теплозащиты, прочностью и тому подобным.
Чарльз Йегер рядом с ракетопланом X-1
Получив в своё распоряжение результаты расчётов и экспериментов по различным ракетопланам и крылатым ракетам Третьего рейха, американские авиаинженеры взялись изготавливать собственные перспективные самолёты, которые бы поднимались до космических высот. В 1946 году корпорация Bell Aircraft построила ракетоплан X-1, а 14 октября 1947-го испытатель Чарльз Йегер первым в мире превысил на нём скорость звука.
Постепенно программа сверхзвуковых ракетопланов развивалась — модель X-15 уже могла пересечь условную границу между атмосферой и космосом на высоте 100 км, разгоняясь до скорости 3,3 км/с (то есть в десять раз больше звуковой). Компания North American Aviation начала работать над Х-15 в 1954 году, а первый ракетоплан этого типа стартовал с самолёта-носителя в 1959-м. Начальный этап испытаний продолжался до 1962 года. Он не обошёлся без аварий, но полученный опыт позволил доработать летательный аппарат, и 22 августа 1963 года испытатель Джозеф Уокер на Х-15 поднялся на высоту почти 108 км. Поскольку тогда пилотируемые полёты на орбиту совершались чрезвычайно редко, американских лётчиков, достигнувших условного рубежа на ракетоплане, сразу записывали в астронавты. Конечно, другие страны никогда не признавали за ними такого статуса.
У военно-воздушных сил США были большие планы на Х-15. В рамках собственной космической программы они задумали создать на его основе ударный космоплан Х-20 многоразового использования. На орбиту его бы выводили ракеты-носители серии Titan, а возвращаться на Землю он должен был сам, по волнообразной траектории, как немецкий бомбардировщик Silbervogel. Однако на полноценное развитие проекта требовались огромные суммы, и в декабре 1963 года его закрыли в пользу более простых космических кораблей Gemini. Они позволяли быстрее реализовать планы экспедиций на Луну и строительства орбитальной станции. Что касается ракетопланов Х-15, то связанную с ними программу высотных исследований закрыли после того, как 15 ноября 1967 года в ходе очередного полёта погиб пилот Майкл Адамс.
Советская «Спираль»
Прототип космоплана системы «Спираль» / Bernhard Gröhl [CC BY-SA 3.0]В Советском Союзе перед войной тему ракетопланов активно исследовал молодой авиаконструктор Сергей Королёв. В Реактивном научно-исследовательском институте (РНИИ, НИИ-3) его группа разрабатывала летательный аппарат РП-318-1. Сам Королёв поучаствовать в его испытаниях не успел — был арестован, осуждён как враг народа и отправлен в лагерь. Но его коллеги довели ракетоплан до полноценного экспериментального изделия, и 28 февраля 1940 года тот совершил успешный полёт с включением двигателя под управлением лётчика Владимира Фёдорова.
После войны Королёва и других советских ракетчиков отправили в Германию, чтобы изучить трофеи. Он стал главным конструктором ракеты Р-1 — точного аналога немецкой А-4, только из отечественных материалов. О ракетопланах Королёв вспомнил только в 1957 году, когда Особое конструкторское бюро № 1 (ОКБ-1), которое он возглавлял, занялось конструированием корабля для полёта человека в космос — того самого корабля, который позднее получил название «Восток». Один из ранних вариантов спускаемого аппарата предполагалось снабдить короткими крыльями, чтобы он мог возвращаться с орбиты на аэродром. Но при анализе этой схемы стало ясно, что потребуется много времени и усилий, чтобы подобрать для аппарата прочные жаростойкие сплавы. В результате предпочтение отдали шарообразной конструкции, на которую наносился теплозащитный слой из асботекстолита.
Инициативу перехватило Опытно-конструкторское бюро № 52 (ОКБ-52) под руководством Владимира Челомея. В 1960 году оно выдвинуло на рассмотрение правительства большой план освоения внеземного пространства, включавший размещение там военных средств. Подчинённые Челомея брались создать линейку ракет-носителей, которые будут выводить на орбиту разведывательные спутники и аппараты для борьбы с вражескими спутниками. Среди таких аппаратов рассматривались ракетопланы трёх типов: «Капсула», «Конус» и «Крылатые». Сергей Королёв поддержал инициативу, хотя Челомей был его прямым конкурентом, и правительство дало ОКБ-52 добро на разработку проекта. Приоритетными стали беспилотный ракетоплан Р-1 и пилотируемый Р-2. Был построен экспериментальный аппарат МП-1 в виде конуса с тормозным зонтом. 27 декабря 1961 года он отправился в космос, достиг высоты 405 км и совершил управляемый спуск в атмосфере, что по тем временам считалось беспрецедентным достижением. МП-2 повезло меньше — в марте 1963-го он развалился на части при входе в атмосферу.
Аппарат БОР-6 / Jno~commonswiki [CC BY-SA 3.0]
К тому времени приоритеты политического руководства начали меняться, и в 1964 году амбициозный план Челомея пересмотрели, после чего весь проект перешел к ОКБ-155 под руководством Артёма Микояна. Там как раз начинались работы над проектом «Спираль», который должен был стать советским ответом на американскую программу Х-15.
Космическая система многоразового использования «Спираль» состояла из двух главных элементов — самолёта-носителя и одноместного орбитального космоплана. Планировалось, что последний будет подниматься на высоту до 150 км, выполняя задачи разведчика, инспектора-перехватчика и ударного самолёта, снабжённого ракетой космос — земля. Создание такой сложной системы требовало множества натурных экспериментов, поэтому в 1966 году развернулись работы над серией аппаратов БОР (беспилотный орбитальный ракетоплан) — это модели космоплана «Спираль» в масштабе 1:3. Запуски БОР-1, БОР-2 и БОР-3 с полигона в Астраханской области начались в 1969 году и продолжались пять лет. Специалисты готовы были перейти к производству полноценного изделия, но политики опять изменили долгосрочные планы. Все силы отрасли были брошены на создание ракетно-космической системы «Энергия» — «Буран».
Космические шаттлы
Экономические проблемы, начавшиеся в США в конце 1960-х годов и переросшие в полноценный кризис, серьёзно сказались на космонавтике. Бюджет NASA неуклонно сокращался. Тем не менее оно не могло отказаться от расширения своего присутствия в космосе и предлагало правительству различные проекты, призванные сохранить существующий потенциал. Программа Space Shuttle стала ответом на требование сделать космонавтику «коммерчески привлекательной».
Шаттл «Челленджер» во время выполнения миссии STS-7 / NASA
В октябре 1968 года NASA предложило ведущим компаниям, специализирующимся на космических технологиях, изучить возможность создания многоразового носителя, что снизило бы стоимость выведения грузов на орбиту. Поскольку у американских конструкторов был большой опыт исследований с использованием ракетопланов Х-15, у них сразу возникла концепция пилотируемого крылатого корабля, взлетающего как ракета и приземляющегося как самолёт. Экономическая оценка показала, что при частоте космических полетов не меньше тридцати раз в год, с доставкой не только государственных и военных, но и коммерческих грузов, шаттлы станут приносить прибыль. 5 января 1972 года президент Ричард Никсон объявил, что победу одержал проект Space Shuttle, который представила компания North American Rockwell.
Однако при реализации фирмам, привлечённым к работе, не удалось уложиться ни в заявленные сроки, ни в заявленную стоимость. Общий бюджет вырос с 5,2 млрд (1971 год) до 10,1 млрд долларов (1982 год). Цена запуска увеличилась с 10,5 млн до 240 млн. При этом из-за экономии надёжность заметно снизилась. В ноябре 1972-го с шаттла убрали два двигателя, предназначенные для его аварийного отделения от внешнего бака с топливом. В феврале 1974-го шаттлы лишились воздушно-реактивных двигателей и возможности самостоятельно перемещаться между аэродромами. Планер шаттла изготавливали из алюминиевого сплава вместо жаропрочного титана — в результате в качестве тепловой защиты решили использовать наклеиваемую кварцевую плитку, которая требовала особого ухода. Проектанты отказались даже от системы аварийного спасения, ведь в шаттле её можно было бы организовать лишь одним способом — через отделение всей кабины с экипажем. Это требовало бы установки громоздкого оборудования. После некоторых колебаний систему вычеркнули из проекта, записав вместо неё повышенные требования по надёжности, что, по мнению разработчиков, гарантировало безопасность.
К началу эксплуатации системы было построено четыре корабля: «Колумбия», «Челленджер», «Дискавери» и «Атлантис». Каждый мог совершить не более пяти полётов в год, то есть в совокупности выходило двадцать полётов. Для проведения длительных космических экспериментов шаттлы не годились: на них не было солнечных батарей, а собственных ресурсов корабля хватало только на две недели полёта. Таким образом, в конечном виде Space Shuttle не отвечал даже проектным требованиям.
Шаттл «Колумбия» во время выполнения миссии STS-62 / NASA
Тем не менее поначалу эксплуатация системы шла хорошо. Корабли один за другим стартовали, выводя грузы на орбиту, а некоторые из старых спутников даже удалось отремонтировать с борта шаттла и вернуть в рабочее состояние. Но всё равно программа оставалась убыточной и требовала значительных бюджетных вливаний для развития. Чтобы поддержать интерес заказчиков к Space Shuttle, президент Рональд Рейган объявил в августе 1984-го, что путешествовать в космос на шаттле смогут даже простые граждане США, а первым таким путешественником станет учитель. Был объявлен национальный конкурс, в котором победила Криста Маколифф — преподавательница из провинциального городка Конкорда.
28 января 1986 года корабль «Челленджер», где в составе экипажа находилась Маколифф, стартовал с космодрома мыса Канаверал. На 59-й секунде полёта из правого ускорителя начало бить пламя, огонь прожёг внешний топливный бак. На высоте 14 км тот взорвался, а кабина шаттла рухнула в океан. Семеро астронавтов погибли.
Гибель «Челленджера» дорого обошлась космонавтике. Стало ясно, что сложные многоразовые ракетно-космические системы не обеспечивают снижение расходов и надёжность. Два с половиной года ушло на то, чтобы модернизировать шаттлы, введя дополнительный контроль качества и безопасности. Однако это не помогло: 1 февраля 2003 года при возвращении из космоса корабль «Колумбия» разрушился из-за повреждения теплозащиты левого крыла. Экипаж, включая первого израильского космонавта Илана Рамона, погиб.
История проектирования и эксплуатации многоразовых ракетно-космических систем наглядно показывает, что если использовать как основу авиацию, то они оказываются слишком сложными, дорогими и небезопасными по сравнению с одноразовыми баллистическими комплексами. Однако есть ещё один вариант. В ракете Falcon 9 и корабле Dragon, построенных компанией SpaceX, изящно совмещены оба направления: баллистика и многоразовость. Под влиянием успеха компании подобные системы начинают проектировать и другие космические фирмы и агентства. Хочется надеяться, что в результате появится стандарт, который станет основой внеземной экспансии. Ведь чем шире он распространится по миру, тем больше у каждого из нас шансов когда-нибудь отправиться в космос.
Главные направления использования многоразовых космических систем.
Тенденции развития многоразовых транспортных космических систем (МТКС) направлены на расширение спектра решаемых задач при обязательном снижении финансовых средств, выделяемых на их разработку, производство и эксплуатацию [ 1 ]. В рамках этой деятельности особое внимание уделяется совершенствованию средств выведения полезной нагрузки (ПН) на орбиту, что обусловлено следующими задачами:
- развитие производств, требующих специфических условий (вакуум, невесомость и т. п.);
- создание долговременных орбитальных станций;
- развёртывание в околоземном пространстве различных научно-исследовательских платформ (солнечные электростанции, радиотелескопы и оптические космические телескопы);
- удешевление услуг и космических научных экспериментов, спутниковой связи, дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), навигации, проведения метеорологических, геодезических, картографических работ и т. д.;
- оказание услуг в области космического туризма.
Возрастающий спрос на вывод различной ПН приводит к увеличению числа запусков ракет-носителей (РН), что влечёт за собой массу негативных последствий, таких как:
- засорение околоземного космического пространства;
- загрязнение окружающей среды элементами отделяющихся частей, падающих на Землю;
- неэффективное использование высокотехнологичного оборудования и материалов;
- увеличение затрат на космические программы.
Решение указанных проблем может быть достигнуто за счёт применения МТКС [2].
Назначение многоразовых транспортных космических систем
К числу зарубежных стран, прилагающих наибольшие усилия по созданию МТКС, можно отнести США, КНР, ФРГ и Францию. Классификация МТКС по их назначению представлена в таблице 1.
Таблица 1. Классификация МТКС по назначению
|
Наименование |
Производитель |
Состояние разработки |
|---|---|---|
|
Доставка грузов и экипажа к орбитальным инфраструктурам, обеспечение полётов в дальний космос |
||
|
Dragon V 2 |
SpaceX (США) |
эксплуатируется |
|
Super Heavy Starship |
SpaceX (США) |
в разработке |
|
Orion MPCV |
Lockheed Martin (США) |
проходит испытания |
|
CST-100 Starliner |
Boeing (США) |
проходит испытания |
|
Dream Chaser |
Sierra Nevada Corporation (США) |
проходит испытания |
|
«Пилотируемый корабль нового поколения» |
CAST (КНР) |
проходит испытания |
|
Космический туризм и научные исследования |
||
|
Space Ship One |
Scale Composites (США), Virgin Galactic (США) |
эксплуатируется |
|
Space Ship Two |
Virgin Galactic (США) |
проходит испытания |
|
Space ShipThree |
Virgin Galactic (США) |
проходит испытания |
|
New Shepard |
Blue Origin (США) |
проходит испытания |
|
Обеспечение национальной безопасности в околоземном пространстве |
||
|
X-37B |
Boeing (США) |
эксплуатируется |
|
X-37C |
Boeing (США) |
в разработке |
|
XS-1 |
Boeing (США) |
в разработке |
|
Space Rider |
Thales Alenia Space, Avio (ЕС) |
проходит испытания |
|
SHEFEX |
DLR (ФРГ) |
в разработке |
|
Shenlong |
AVIC (КНР) |
в разработке |
Таким образом, основными областями применения МТКС на данный момент являются:
- доставка грузов и экипажа к орбитальным инфраструктурам, обеспечение полётов в дальний космос;
- космический туризм и научные исследования;
- обеспечение национальной безопасности в околоземном пространстве.
Доставка грузов и экипажа к орбитальным инфраструктурам, полёты в дальний космос
В зарубежных странах значительное внимание уделяется разработке МТКС, способных прийти на замену одноразовым аппаратам. Перед МТКС ставятся не только задачи обеспечения полётов на Международную космическую станцию (МКС) с целью доставки экипажа и грузов или иные национальные орбитальные станции, создание которых ожидается в ближайшем будущем. Наравне с этим стоят задачи по обеспечению перевозок за пределы низкой околоземной орбиты (НОО) и обеспечение их благополучного возвращения обратно на Землю. К числу таких МТКС относятся, в частности: космический корабль (КК) Dragon V2 (компания SpaceX), Starship (компания SpaceX), Orion MPCV (компания Lockheed Martin), CST-100 Starliner (компания Boeing), Dream Chaser (компания Sierra Nevada Corporation), «Пилотируемый корабль нового поколения» (Китайская академия космических технологий CAST).
Для доставки людей и грузов на МКС в настоящее время используются две модификации КК Dragon V2: пилотируемый КК Crew Dragon и грузовой КК Cargo Dragon (рис. 1). КК Dragon V2 разработан по заказу Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) в рамках программы «Коммерческая орбитальная транспортировка» [ 3 ].
Рис. 1. Внешний вид КК Dragon Cargo (слева) и Dragon Crew (справа)
Главные отличия КК Dragon Crew – управляемая посадка на двигателях (парашютная схема в качестве резерва), опоры для мягкой посадки и салон с креслами для астронавтов и панелью управления. Благодаря ракетным двигателям (РД) Super Draco аппарат способен приземляться практически в любом месте с предельной точностью, а возможность управляемой посадки сохраняется при отказе двух из восьми двигателей. РД Super Draco являются первыми двигателями в космической промышленности, изготовление которых возможно по технологии 3D-печати.
По состоянию на конец 2021 года было выполнено восемь запусков КК Dragon V2, из них четыре КК Cargo Dragon и четыре Crew Dragon. КК Dragon V2 планируется использовать в американской программе Artemis, основная цель которой – высадка на поверхность Луны. Компания SpaceX также анонсировала изображение особой версии КК Crew Dragon, со стеклянным купольным окном, позволяющим наблюдать виды космоса. Новая версия КК не имеет адаптера, предназначенного для стыковки с МКС, и предположительно будет использоваться в целях коммерческого космического туризма.
Также в настоящее время компания SpaceX продолжает развивать программу создания МТКС сверхтяжёлого класса, способных осуществить доставку грузов и людей на Луну и Марс. В рамках данной деятельности компания реализует проект по созданию МТКС Super Heavy Starship, состоящего из ускорителя Super Heavy и КК Starship (рис. 2).
Рис. 2. Состояние прототипов Super Heavy Starship (6 КК (SN 15 – 20) и 2 ускорителя (первые ступени BN2-3)) по наблюдениям команды NASA Space Flight на 18 апреля 2021 года)
КК Starship представляется в пилотируемом или грузовом исполнении, а также в качестве танкера для дозаправки на орбите других кораблей. Все модификации способны к автоматическому сближению и стыковке. К особенностям КК Starship также относятся:
- возможность отправки КК к Луне или Марсу с грузом и экипажем после дозаправки топливом на орбите Земли;
- применение технологии тепловой защиты многократного действия;
- размещение в КК до 40 кабин для экипажа, больших зон общего пользования, складов, кухни, а также специального убежища для защиты экипажа от солнечных вспышек.
По состоянию на середину 2021 года было выполнено 12 испытаний, в ходе которых отрабатывались усовершенствованные технологии запуска и посадки. Новый прототип SN15 Starship, испытания которого прошли в мае 2021 года, имеет более 100 конструкционных улучшений относительно серии SN8 – SN11 в качестве поверхности корпуса, авионике, программном обеспечении и двигателях. На корпус прототипа было установлено гораздо больше теплозащитных плиток, чем на предыдущий SN11. Испытание SN15 завершилось успешно – корабль поднялся на высоту около 10 км, выполнил запланированные манёвры и совершил плавную посадку. В ближайшей перспективе корпорация SpaceX планирует проведение испытаний во время суборбитального полёта.
В рамках программы Constellation («Созвездие») NASA с середины 2000-х годов создаёт многоцелевой КК Orion Multi-Purpose Crew Vehicle (MPCV), предназначенный для продолжительных исследований глубокого космоса человеком (рис. 3).
5 декабря 2014 года в ходе Exploration Flight Test 1 состоялись испытания беспилотной версии КК Orion MPCV. КК был запущен с Восточного ракетного полигона, продолжительность полёта составила примерно 4,5 часа.
Рис. 3. Внешний вид Orion MPCV
Сроки создания КК неоднократно переносились вследствие перерасхода средств и недостаточного планирования [ 5 ]. Согласно отчёту генерального инспектора NASA, начиная с августа 2006 года на создание Orion MPCV управление потратило 16,7 млрд долларов США. Общие расходы на Orion MPCV, включая изготовление серийных КК, до конца 2030 года составят 29,5 млрд долларов США.
Несмотря на это, до 2030 года NASA планирует:
- осуществить до конца 2021 года беспилотную миссию в рамках программы Artemis-1;
- произвести в 2023 году пилотируемый облёт Луны с помощью разрабатываемой сверхтяжёлой РН SLS (Space Launch System – космическая система запуска NASA; миссия Artemis-2);
- осуществить в 2024 году посадку на Луну (миссия Artemis-3);
- в период с 2025 по 2029 годы осуществить лунные миссии
- Artemis – 4…9.
- продолжить полёты после 2029 года (планируются полёты большой продолжительности, не исключается возможность использования системы Orion MPCV в программе освоения Марса).
В качестве альтернативы для корабля Orion MPCV может рассматриваться МТКС CST-100 Starliner (Crew Space Transportation-100 Starliner), которая разрабатывается компанией Boeing (рис. 4). Как и Crew Dragon, МТКС создана по заказу NASA в рамках программы по разработке частных КА Commercial Crew Program [ 6 ]. Проект предусматривает создание пилотируемого корабля, способного доставлять на орбиту и возвращать на Землю несколько человек. Для КК характерна инновационная цельная (бесшовная) конструкция, которая устраняет структурные риски традиционных швов, уменьшает массу и время производства. CST-100 Starliner может быть использован повторно до 10 раз.
К отличительным особенностям КК CST-100 Starliner также относятся:
- система прерывания полёта, которая обеспечивает безопасное спасение экипажа в течение миссии во время фазы запуска;
- испытанная в полёте авиационная электроника и протестированное ранее программное обеспечение для системы сближения и стыковки;
- аварийная система, обеспечивающая безопасное возвращение даже с неполноценными компьютерными системами и системами наведения (экстенсивная система послепосадочной защиты экипажа, резервное ручное управление для пилотов);
- планшетная технология, устраняющая необходимость в громоздких приборах для ручного управления.
Рис. 4. Внешний вид КК CST-100 Starliner
От других проектов перспективных пилотируемых КК американской и зарубежной разработки CST-100 Starliner отличается более скромными целями. По задумке создателей, этот КК должен будет доставлять людей на МКС или на другие перспективные станции, разрабатываемые в настоящее время. Полёты за пределы земной орбиты не планируются. При этом КК проектируется так, чтобы иметь возможность оставаться на орбите до семи месяцев с возможностью повторного использования до десяти миссий. Всё это снижает требования к кораблю, позволяя добиться значительной экономии и конкурентного преимущества при доставке грузов и экипажа.
В декабре 2019 года с помощью РН Atlas V был произведён запуск беспилотной модификации корабля с целью стыковки с МКС. Попытка стыковки со станцией завершилась неудачей из-за серьёзных ошибок в программном обеспечении, разработанном компанией Boeing. По оценке специалистов, причиной сбоя явилась неисправность в системе расчёта полётного времени и потеря связи с кораблём. Тем не менее корабль всё же удалось вывести на орбиту и провести ряд запланированных экспериментов. Позже CST-100 Starliner при помощи трёх парашютов совершил успешную посадку на ракетном полигоне Уайт-Сэндз в штате Нью-Мексико. Тестовый полёт без экипажа ориентировочно планируется до окончания 2021 года. Первый испытательный полёт CST-100 Starliner с астронавтами на борту состоится не ранее января 2022 года, в случае его успешного выполнения компания Boeing планирует осуществить доставку экипажа на МКС в апреле или сентябре 2022 года.
Многоразовый КК Dream Chaser от компании Sierra Nevada Corporation (SNC) по форме сильно отличается от вышеупомянутых перспективных космических разработок США, предназначенных для доставки грузов и экипажа на МКС (рис. 5). Однако его главные задачи схожи с задачами КК Dragon V2, Orion MPCV и CST-100 Starliner.
Рис. 5. Внешний вид КК Dream Chaser
Использование КК Dream Chaser позволит:
- осуществлять стыковку с МКС с помощью расположенного в хвостовой части стыковочного механизма бельгийской компании QinetiQ, позволяющего герметизировать вход в КК членами экипажа станции;
- снизить величину предельных перегрузок в целях сохранности экипажа и результатов научных экспериментов;
- снизить операционное время обслуживания перед совершением следующего запуска;
- обеспечить приземление на любой аэродром, способный принять самолёт типа Boeing-737;
- уменьшить загрязнение окружающей среды за счёт применения запатентованной технологии гибридного РД.
Корпус аппарата создан из композитных материалов с керамической теплозащитой. Изначально прорабатывалась пилотируемая версия Dream Chaser, но пока планируется запуск беспилотной модификации – в этой версии КК будет иметь складывающиеся крылья, что даст возможность запускать аппарат внутри пятиметрового обтекателя с помощью различных РН. В беспилотную модификацию также добавлен дополнительный грузовой модуль для герметичных грузов и размещения внешних негерметичных грузов, который будет отделяться перед возвращением и сгорать в атмосфере.
Первый орбитальный запуск беспилотной версии КК по соглашению NASA, SNC и ULA ожидается не ранее 2022 года с помощью РН Vulcan. Предполагается, что КК Dream Chaser доставит на МКС около 5,5 т груза и останется пристыкованным к ней в течение 75 дней в качестве орбитальной лаборатории [ 7 ]. После завершения миссии КК утилизирует около 3,2 т мусора космической станции и осуществит спуск с орбиты с использованием аэродинамического планирования. По соглашению с NASA компания SNC планирует как минимум шесть грузовых полётов к МКС в период с 2022 по 2024 год. После завершения миссии МКС КК Dream Chaser будет осуществлять доставку грузов и астронавтов на создаваемую компанией собственную космическую станцию.
В Китае 508-м институтом Китайской исследовательской академии космической техники (CAST) создан новый КК, который в перспективе может составить серьёзную конкуренцию американским разработкам, в частности кораблям Orion MPCV и CST-100 Starliner. Новый КК пока не имеет уникального названия. Xīn Yī Dài Zàirén Fēichuán переводится как «Пилотируемый КК нового поколения» (рис.6).
Рис. 6. Внешний вид «Пилотируемого КК нового поколения»
О существовании в Китае программы по разработке нового пилотируемого корабля стало известно в 2016 году, когда его вывели в космос с помощью РН «Чанчжэн-7». Прототип был выполнен приблизительно в масштабе 60% от базового корабля и выглядел как усечённый конус с максимальным диаметром 2,6 м, высотой 2,3 м, и массой 2,6 т. Операция по возвращению спускаемого аппарата с орбиты была проведена успешно.
В мае 2020 года РН «Чанчжэн-5В» отправила на орбиту корабль новой серии испытательной модификации (на КК отсутствовал стыковочный узел, при старте не применялась система аварийного спасения). Полёт также завершился успешно.
Масса испытательного КК составляет примерно 21 т (это легче, чем Orion, чья полная масса составляет 25,85 т). По приблизительным подсчётам предельная скорость, которую развил КК в ходе испытательного полёта, составляла около 1500 м/с, что, в свою очередь, достаточно для перехода на орбиту вокруг Луны и разгон обратно к Земле.
Планируется разработать два типа корабля в зависимости от решаемых задач. Для доставки экипажа на МКС и на разрабатываемую национальную космическую станцию с максимальным экипажем планируется использовать КК массой 14 т, а для полётов в дальний космос с экипажем до четырёх космонавтов – КК массой 21 т.
Точные даты следующих испытаний пилотируемого КК пока неизвестны, полёт к Луне китайских космонавтов планируется на 2030-е годы .
Основные характеристики вышеперечисленных КК, обеспечивающих доставку грузов и экипажа к орбитальным инфраструктурам, представлены в таблице 2.
Таблица 2. Основные характеристики КК, обеспечивающих доставку грузов и экипажа к орбитальным инфраструктурам
|
Характеристика |
Dragon V2 |
Starship |
Orion MPCV |
CST-100 Starliner |
Dream Chaser |
«Пилотируемый КК нового поколения» |
|
Возможные модификации |
грузовой, пилотируемый |
грузовой, пилотируемый |
грузовой, пилотируемый |
грузовой, пилотируемый |
грузовой, пилотируемый |
грузовой, пилотируемый |
|
Масса КК, т: |
6,4 |
120 |
25,85 |
13 |
11,34 |
21 |
|
Масса, т: доставляемых грузов возвращаемых грузов |
6 3,3 |
100 50 |
2 – 2,5 0,1 |
0,1
|
5,5 2 |
– |
|
Объём отсека, м³: герметичного без герметизации |
9,3 37 |
1000 – 1100 |
9 |
11 |
16 |
– |
|
Размеры, м: длина диаметр |
8,1 4 |
50 9 |
5 3,3 |
5,03 4,56 |
9 7 |
– |
|
Тип используемого РН |
Falcon 9 |
Super Heavy |
Delta IV и Atlas V (испытательный полёт / для полетов на НОО), SLS (для полётов в дальний космос) |
Atlas V, Delta IV, Falcon 9, Vulcan |
Vulcan (Atlas V в качестве запасной опции), Ariane 5 |
«Чанчжэн -5B, – 7» (испытательный полёт / для полётов на НОО), «Чанчжэн -9» (для полётов в дальний космос) |
|
Способ стыковки |
авто, ручная |
авто |
авто |
авто, ручная |
авто, ручная |
|
|
Экипаж |
до 7 человек |
до 100 человек |
до 4 человек |
до 7 человек |
до 6 человек |
до 6 человек |
|
Способ посадки |
управляемая посадка на двигателях (парашютная схема в качестве резерва) |
вертикальная реактивная посадка |
парашютная система |
парашютная система |
горизонтальная, самолетная посадка (аэродинамическое планирование) |
система мягкой посадки |
|
Тип ракетного двигателя |
8 РД Super Draco. |
6 РД Raptor |
1 РД AJ10, 8 РД R-4D-11, 6 РД от Airbus |
6 РД Aerojet Rocketdyne |
гибридный РД Vortex
|
– |
Литература
- Хлопков Ю. И., Зея Мьо Мьинт, Хлопков А. Ю., Чжо Зин, Поляков М. С. Анализ развития многоразовых воздушно-космических систем // Естественные и математические науки: вопросы и тенденции развития. Материалы международной заочной научно-практической конференции (01 апреля 2013 г.). Новосибирск: СибАК, 2013. С.80-85.
- Архипова Т. В. Мировые тренды в космической сфере и перспективы устойчивого развития космической отрасли России // Вестник Алтайской академии экономики и права. 2020. № 10. Ч. 3. С. 263-268.
- Грузовые / пилотируемые корабли. Изделия серии Crew Dragon [Электронный ресурс] // Ecoruspace.ME. URL: https://ecoruspace.me/Изделия+серии+Dragon+V2.html (Дата обращения: 11.11.2021).
- Березин А. Starship, наконец, научился садиться без взрыва: что это значит и что будет дальше? [Электронный ресурс] // Naked Science. 2021. 06 мая. URL: https://naked-science.ru/magazine (Дата обращения: 11.11.2021).
- Сайт NASA Office of Inspector General. NASA’s management of the Orion multi-purpose crew vehicle program [Электронный ресурс]. URL: https://oig.nasa.gov/docs/IG-20-018.pdf (Дата обращения: 11.11.2021).
- Грузовые / пилотируемые корабли. Изделия серии CST [Электронный ресурс] // Ecoruspace.ME. URL: https://ecoruspace.me/Изделия+серии+CST.html (Дата обращения: 11.11.2021).
- Chris Bergin. Cargo Dream Chaser solidifies ULA deal by securing six Vulcan Centaur flights [Электронный ресурс] // NASAspaceflight.com. 2019. August 14. URL: https://www.nasaspaceflight.com/2019/08/cargo-dream-chaser-solidifies-ula-deal-vulcan/ (Дата обращения: 11.11.2021).
- Испытательный полёт китайского пилотируемого корабля [Электронный ресурс] // Наука и техника. 2020. 21 мая. URL: https://naukatehnika.com/ispytatelnyj-polet-kitajskogo-pilotiruemogo-korablya.html (Дата обращения: 11.11.2021).
- Хрисанфова А. Virgin Galactic запустила корабль в космос. Последуют ли туда же её акции [Электронный ресурс] // РБК. 2021. 24 мая. URL: https://quote.rbc.ru/news/article/60abce769a7947185b76770f (Дата обращения: 11.11.2021).
- Гаврикова В. Virgin Galactic представила новый космоплан VSS Imagine [Электронный ресурс] // РБК. 2021. 30 марта. URL: https://quote.rbc.ru/news/article/6063192b9a7947949739d5ac (Дата обращения: 11.11.2021).
- Орбитальный корабль. New Shepard [Электронный ресурс] // Ecoruspace.ME. URL: https://www.ecoruspace.me/New+Shepard.html (Дата обращения: 11.11.2021)
- Сайт National Aeronautics and Space Administration Wiki/Fandom. Boeing X-37 [Электронный ресурс] // NASA.fandom.com. URL: https://nasa.fandom.com/wiki/Boeing_X-37 (Дата обращения: 11.11.2021).
- Павлушенко М. В., Волохов В. И., Шепилова Г. А. Выявление боевых возможностей беспилотного орбитального самолёта X-37B, разрабатываемого ВВС США в рамках концепции «глобальный удар» // Вестник Академии военных наук. 2019. № 1. С. 155-162.
- Мадрасов А. XS-1: «Быстрый глобальный удар» по российскому космосу [Электронный ресурс] // Советская пресса. 2016. 04 июня. URL: https://svpressa.ru/war21/article/150008/ (Дата обращения: 11.11.2021).
- Голованов Г. ESA представило многоразовую космическую капсулу Space Rider [Электронный ресурс] // Hightech.plus. 2019. 07 июня. URL: https://hightech.plus/2019/06/07/esa-predstavilo-mnogorazovuyu-kosmicheskuyu-kapsulu-space-rider (Дата обращения: 28.04.2021).
- Waldemar Bauer, Peter Rickmers, Alexander Kallenbach, Sven Stappert, René Schwarz, Marco Sagliano, Janis S. Häseker, Andreas Flock, Thomas Thiele, Andreas Bierig, Jens Windelberg, Eugen Ksenik. Upcoming DLR Reusability Flight Experiment [Электронный ресурс] // 68th International Astronautical Congress (IAC), Adelaide, Australia, 25-29 September 2017. URL: https://elib.dlr.de/116879/1/IAC-17-D2.6.1.pdf (Дата обращения: 11.11.2021).
- Кюппер В. Космический корабль с острыми углами и краями [Электронный ресурс] // Наука и техника. 2019. 22 октября. URL: https://naukatehnika.com/kosmicheskij-korabl-s-ostrymi-uglami-i-krayami.html (Дата обращения: 11.11.2021).
- Каменнов П. Б. Космическая программа Китая // Проблемы Дальнего Востока. Научный и общественно-политический журнал Института Дальнего Востока Российской академии наук. 2001. № 6. С. 71-77.
- Richard Fisher, Jr. Shenlong. Space Plane Advances China’s Military Space Potential. [Электронный ресурс] // Stretagycenter. 2007. December 17. URL: http://www.strategycenter.net/research/pubID.174/pub_detail.asp. (Дата обращения: 11.11.2021).
- Сулейменов Е. З., Кульевская Ю. Г., Улезько Г. Г., Галанц Э. А. Состояние исследований в Казахстане по приоритетам научно-технологического развития. Космические исследования: аналитический обзор. Алматы, 2008.
- Клюшников В. Ю., Кузнецов И. И., Осадченко А. С. Методические аспекты разработки стратегии развития системы средств выведения космических аппаратов на орбиту // Вестник ФГУП НПО им. Лавочкина. 2013. № 4. С.47-53.
- Иванов М. Л., Макаров М. И., Голованёв И. Н. Основные тенденции военно-космической деятельности на современном этапе // Воздушно-космическая сфера. 2020. № 3. С. 72-81.
Источники: https://www.vesvks.ru/, https://www.mirf.ru/
Авторы:
- Антон Первушин
- Николай Николаевич Клименко, кандидат технических наук, заместитель генерального директора АО «НПО Лавочкина», Москва, Россия, Klimenko@laspace.ru
- Валентин Борисович Катькалов , старший научный сотрудник лаборатории Военного института (научно-исследовательского) Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, Санкт-Петербург, Россия, vkatkalov@mail.ru
- Мария Львовна Морозова , научный сотрудник лаборатории Военного института (научно-исследовательского) Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского, Санкт-Петербург, Россия, vka@mil.ru
