CC BY
189
УДК 629.782
О ПЕРСПЕКТИВАХ РАЗВИТИЯ МНОГОРАЗОВЫХ КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ
Е. О. Бабинова, О. А. Становова Научный руководитель - В. В. Кольга
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Данная работа посвящена перспективам развития многоразовых космических кораблей, созданию проектных комплексов для разработки многоразовых кораблей с индивидуальными стартовыми комплексами, сложностям их разработки и использования, опыту соответствующих американских и российских проектов для выполнения прикладных задач в космосе.
Ключевые слова: многоразовые космические аппараты, Спейс-шаттл, Программа Буран, запуск, система «Спираль».
ABOUT THE PROSPECTS FOR DEVELOPMENT OF REUSABLE SPACE VEHICLES
E. O. Babinova, O. A. Stanovova Scientific supervisor - V. V. Kolga
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected]
This work is devoted to the prospects for the development of reusable spacecraft, possible baseline programs for developing reusable space vehicles with "own" start, complexities of their design and use, experience of respective US and Russian projects for implementation of applied tasks in space.
Keywords: reusable space vehicles, Space Shuttle, Buranprogram, launch, "Spiral" system.
Ракета - одноразовое устройство, как для вывода грузов на орбиту (мирных целей), так и для военных целей. Если для военных целей термин «многоразовая ракета» предполагает достаточно сложную реализацию, то «многоразовый аппарат» для доставки грузов на орбитальные станции более актуален. Возможно, было бы даже удобнее не строить каждый раз новый носитель, а раз за разом использовать одно и то же устройство. Налицо значительная экономия ресурсов и решение экологических проблем, в частности - уменьшение загрязненности околоземного пространства техническим мусором.
Основной объем проектных разработок многоразовых космических кораблей проводился в России (СССР) и США. Но на данный момент обе программы не функционируют. Например, американская программа завершилась из-за дороговизны обслуживания и инновационного истощения [выработки ресурса кораблей] [6], а российская программа остановлена в начале 90-х годов [4; 7]. Развитие программы началось в 1971 году в США и в том же году в СССР. Разработкой занимались Институт прикладной математики АН СССР и НПО «Энергия» в СССР и Северо-Американская корпорация «Роквелл», по поручению НАСА, в США. В США было произведено 135 запусков из них 133 удачных. И в 2011 г. программа завершилась. В СССР, затем в России, ситуация была несколько иной. Первый запуск был осуществлен в 1988 году, став единственным в истории и при этом беспилотным. С 1993 года программа была заморожена [1; 2; 4].
Обе программы были начаты в одно и то же время, советская программа была ответом на американскую, при этом ни в чем ей не уступала и являлась вполне обособленным и самостоятельным инновационным проектом. В виду принятия различных технологических решений, «Спейс-Шаттл» сильно отличался от «Энергия-Буран». Одним из главных отличий в американском проекте является
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1
работа «Шаттла» на собственных двигателях, используя прикрепленный к нему бак с топливом. Это решение имеет ряд недостатков. Использование собственных двигателей в качестве маршевых требует значительного увеличения их мощности, что существенно осложняет конструкцию, размер агрегатов и их вес, и создает при этом ряд эксплуатационных проблем, например обеспечение безопасности. В российской же версии, «Энергия» - отдельная самостоятельная ракета, разработанная ранее, используется для вывод полезной нагрузки - космического корабля «Буран». Это позволило решить ряд технологических проблем, таких как размещение мощных ракетных двигателей за пределами космического аппарата и усовершенствование системы подачи топлива в ракете-носителе. Различия на этом не заканчиваются. «Шаттл» совершает посадку по более крутой траектории, а «Буран» - по более наклонной. Как известно, при крутой посадке конструкция испытывает большие напряжения, поэтому обшивка «Шаттла» укреплена титановыми сплавами, что также несколько утяжеляет конструкцию, в отличие от Бурана, который сделан из алюминиевых сплавов. Также немаловажным является возможность «Бурана» к беспилотному полёту и автономной посадке, «Шаттл» же может приземляться только с помощью ручного управления [1-5; 7].
Но эти два проекта не являются единственными разработками многоразовых космических кораблей. Одним из таких проектов стал космический корабль «Спираль». Разработка проекта началась с 1960 года и была мало кому известна. Основной целью программы было создание пилотируемого орбитального самолета для выполнения технических задач в космосе и обеспечения регулярных перевозок по маршруту «Земля-орбита-Земля». Кроме того, предполагалось и проведение инспекции находящихся на орбите космических аппаратов, а также размещение на борту самолета различных систем вооружения, начиная от традиционных (пушки и ракеты) и кончая перспективными (лазерное, пучковое оружие и прочее) [10]. Сама система представляла собой совокупность двух самолетов. Один из них - по сути, стартовый ускоритель, второй - орбитальный самолет. Также осуществлялась разработка дозвукового самолета-аналога и гиперзвукового аналога. Принцип работы системы «Спираль» заключается в том, что «разгоняющий» самолет выводит орбитальный самолет на орбиту (нижнюю опорную), там происходит отсоединение, и орбитальный самолет начинает отработку самостоятельной программы в верхних слоях атмосферы [8-11].
Несмотря на то, что американская программа «Спейс-Шаттл» уже завершилась, разработки в данной области не прекращаются. Об этом свидетельствует ряд программ. Lynx - суборбитальный аппарат с горизонтальными стартом и посадкой, что отличает его от предшественников [12], «Jupiter» -аппарат, выводимый на орбиту модулем Exoliner (который представляет собой грузовой аппарат-ускоритель) [13]. Кроме того, появился проект X-37B, который представляет собой аппарат схожий с «Шаттлом, но несколько переработанный конструктивно и с измененной компоновочной схемой. Предыдущая схема - пакет была заменена на тандем, и в новой вариации у аппарата появляется две системы двигателей (на первой и второй ступенях, первая используется как стартовый ускоритель), но запускается этот аппарат традиционно - с помощью ракеты носителя «Атлас-5» [14].
Следует заметить, что все виды представленных проектов являются составными, т.е. непосредственно каждый конечный аппарат поднимается в верхние слои атмосферы с помощью другого устройства, в одном случае это ракета, в другом - самолет. Это связано со сложностью преодоления гравитации Земли и возможностью вывода на орбиту. Во всех случаях для такого вывода требуется большой запас топлива и сложная конструкция двигателей. Подбор двигателя и топлива будет одной из самых главных проблем при разработке многоразового корабля с «собственным» стартом. Чем меньшую массу нужно поднять на орбиту, тем меньше потребуется топлива и тем менее мощными двигателями можно будет воспользоваться. В целом для создания многоразового корабля «собственного» старта потребуется подобрать эффективное топливо и спроектировать новый двигатель. Теоретически рассчитывается вариант использования аппарата с одной ступенью с возможностью вывода грузов на орбиту в военных или гражданских целях. Для военных целей (разведка, атака и т. д.) наиболее эффективны аппараты с небольшой массой. Второй проблемой является обеспечение прочностных характеристик конструкции. Это не только прочность каркаса и обшивки, но и обеспечение тепловых свойств корпуса. Частые «прыжки» через атмосферу негативно скажутся на обшивке, что потребует профилактики защитных покрытий, или разработки принципиально новых материалов. Ещё одна нерешенная проблема - жесткое космическое излучение. Она станет актуальной при разработке межпланетных перелетов и длительных полетах к Луне. Её решение также требует разработки новых материалов с прогнозируемыми свойствами.
В заключение хотелось бы сказать, что современные технологии, к сожалению, ещё не могут обеспечить создание космического корабля многоразового использования, обеспечив решение всех
описанных проблем. Однако научный поиск в этом направлении поможет открыть новые горизонты для развития ракетной техники и полетов в космическом пространстве.
Библиографические ссылки
1. Space Shuttle [Электронный ресурс]. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Shuttle (дата обращения: 20.12.2014).
2. Energia-Buran (space program) [Электронный ресурс]. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/ Buran_programme (дата обращения: 20.12.2014).
3. Energy (booster) [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Energia (дата обращения: 20.12.2014).
4. Buran (spacecraft) [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Buran_(spacecraft) (дата обращения: 20.12.2014).
5. Шаттл против Бурана [Электронный ресурс]. URL: http://www.ispaceman.ru/shatl_protiv_ burana (дата обращения: 20.12.2014).
6. Завершение программы Space Shuttle не означает ухода США из космоса [Электронный ресурс]. URL: http://ria.ru/science/20110708/399110636.html (дата обращения: 20.12.2014).
7. Частые вопросы: Буран [Электронный ресурс]. URL: http://www.buran.ru/htm/chavo.htm (дата обращения: 20.12.2014).
8. Воздушно-орбитальный самолет (ВОС) «Спираль» [Электронный ресурс]. URL: http://www.buran.ru/htm/spiral.htm (дата обращения: 20.12.2014).
9. Авиационно-космическая система «Спираль» [Электронный ресурс]. URL: http://www. kapyar.ru/index.php?pg=263 (дата обращения: 20.12.2014).
10. Проект «Спираль» [Электронный ресурс]. URL: http://www.cosmoworld.ru/ spaceencyclopedia/publications/index.shtml?zhelez_08.html (дата обращения: 20.12.2014)
11. Проект «Спираль» (ОКБ-155) [Электронный ресурс]. URL: http://www.airbase.ru/books/ authors/rus/a/afanasiev-i-b/unknown_spaceships/4 (дата обращения: 20.12.2014).
12. About Lynx [Электронный ресурс]. URL: http://xcor.com/lynx/ (дата обращения: 18.04.2015).
13. Lockheed Martin unveils plan for reusable spacecraft [Электронный ресурс]. URL: http://thespacereporter.com/2015/03/lockheed-martin-unveils-plan-for-reusable-spacecraft/ (дата обращения: 18.04.2015).
14. X-37B OTV - Spacecraft Information [Электронный ресурс]. URL: http://www.spaceflight101. com/x-37b-otv-spacecraft-information.html/ (дата обращения: 18.04.2015).
© Бабинова Е. О., Становова О. А., 2015
