Метановое будущее одноступенчатых ракетопланов
На сегодняшний день, ни у США, ни у Китая и даже России нет технической возможности осуществлять групповой вывод в космическое пространство экипажей космонавтов в количестве боле трех человек. А что самое главное, существующие ракетоносители, летающие и разрабатываемые космические корабли, не только не позволяют одновременный вывод в комическое пространство экипажей и крупногабаритных грузов, но и не могут осуществлять спуск из космоса каких-то значительных грузов или модулей космических аппаратов.
В свое время в США существовала программа «Space Shuttle», которая обеспечивала не только вывод экипажей в космическое пространство, но и вывод на низкие орбиты различной полезной нагрузки. Телескоп «Хаббл», российский модуль МКС «Рассвет», работа по программам Пентагона, строительство МКС и многое другое, это все наследие 70-х годов прошлого века, когда США осуществили технологический рывок в области освоения космического пространства.
В СССР также существовала программа создания воздушно-космических летательных аппаратов.
На пике технологического развития СССР в ОКБ «Туполева» был запущен проект по созданию воздушно-космического бомбардировщика, который позже обрел свой облик в виде «Ту-2000». Одновременно с разработкой воздушно-космического бомбардировщика в СССР велись работы по созданию собственной многоразовой космической системы, которая должна была стать ответом на появление в США программы «Space Transportation System», позже названой «Space Shuttle».
Разработчиком нового советского космического корабля стало специально созданное НПО «Молния». Новое объединение возглавил Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский, уже в 1960-е годы работавший над проектом многоразовой авиационно-космической системы «Спираль».
Производство орбитальных кораблей «Буран» осуществлялось на Тушинском машиностроительном заводе с 1980 года; к 1984 году был готов первый полномасштабный экземпляр.
Космический полёт «Бурана» состоялся 15 ноября 1988 года. Ракета-носитель «Энергия», стартовавшая с площадки 110 космодрома Байконур вывела корабль на околоземную орбиту. Полёт длился 205 минут, за это время корабль совершил два витка вокруг Земли, после чего «Буран» произвёл посадку на аэродроме «Юбилейный» космодрома Байконур.
Больше «Буран» в космос не летал. Несколько позже, в связи с политическими и экономическими обстоятельствами была закрыта программа создания воздушно – космического бомбардировщика «Ту-2000».
Space Shuttle пережил своего советского собрата немногим больше чем на 20 лет. 8 июля 2011 года шаттл «Атлантис» совершил свой последний полет по миссии снабжения Международной космической станции.
Программа «Space Shuttle» была не так плоха. Я бы даже сказал, что она была более чем успешна. Закрытие этой программы было обусловлено во много политическими причинами в США, ибо те проблемы с предполетной подготовкой, которые обусловили гибель шаттла «Колумбия», они были более чем решаемы.
Тем не менее, история не знает сослагательного направления и сегодня «Space Shuttle», это яркая веха в космической программе США, а Илон Маск проходит тот путь, который в 60-х годах прошлого века уже прошли Сергей Королев и Вернер фон Браун.
Очевидно, что сегодняшний день диктует новые вызовы на пути освоения космического пространства.
Союзами, Протонами, Фальконами Илона Маска, к этим новым вызовам порой подступиться просто невозможно. Их потенциала просто недостаточно.
Нужна новая концепция, нужны новые технологические решения. Как вариант, одноступенчатый воздушно-космический ракетоплан.
Перспективный одноступенчатый воздушно-космический ракетоплан нужно создавать с таким учетом, что его технологический потенциал будет, как минимум, на ближайшие 40 – 50 лет решать тот спектр задач, которые могут быть сформулированы космической программой России.
И скорее всего, делать сегодня «Ту-2000» в том виде, в котором он был задуман в 1970 году, совершенно не имеет смысла.
Если рассматривать космические программы «Энергия – Буран» и «Space Shuttle» с точки зрения сравнения их с перспективным одноступенчатым ракетопланом, то американский челнок выглядит более перспективным. Все же космический корабль «Буран» выводился в космическое пространство ракетой «Энергия», а Shuttle использовал внешний топливный бак, который от него отделялся на высоте 120 километров.
Исходя из конструктивных особенностей элементов космической программы «Space Shuttle», где стартовая масса всех частей, челнока, топливного бака и ракетных ускорителей, составляла 2020 тонн, то можно предположить, что перспективный одноступенчатый ракетоплан должен иметь сравнительные массо-габаритные и энергетические характеристики. Если учесть, что половину массы Шаттла составляли твердотопливные ускорители, которые отделялись на высоте 45 километров, то для того, чтоб иметь возможность выводить на низкие орбиты полезную нагрузку в размере до 20 тонн, одноступенчатый ракетоплан нужно представлять без этого лишнего груза, который был обусловлен особенностью старта космического корабля Шаттл. Также нужно учесть, что жидкого кислорода одноступенчатому ракетоплану, в качестве окислителя, нужно меньше, так как на активном участке полета двигатели будут использовать кислород из атмосферы.
Например, самый большой советский самолет Ан-225 «Мрия» имел максимальную взлетную массу 640 тонн при длине фюзеляжа 84 метра и размахе крыльев 88 метров.
Для взлета самолету Ан-225 «Мрия» требовалось шесть двигателей Д-18Т с суммарной тягой на взлетном режиме 140 тонн-сил, а также площадь крыла 905 м^2.
Получается, что наш перспективный одноступенчатый воздушно-космический ракетоплан будет иметь фюзеляж, выполненный по схеме «бесхвостка» длиной, как минимум 100 – 110 метров. При этом, эффективная площадь крыла подобного ракетоплана должна быть не менее 1500 м^2, а стартовая масса в районе 1000 тонн. Возможно меньше, но не больше точно.
И это скажу я вам, будет большая штука. Ан-225 «Мрия» тоже не самый маленький самолет и ничего, летает…
Полет в космическое пространство одноступенчатого ракетоплана должна обеспечивать комбинированная силовая установка.
Для взлета одноступенчатого ракетоплана должны использоваться турбореактивные двигатели с тягой на взлетном режиме порядка 250 тонн-сил. Для сравнения, по мощности это сопоставимо с пятью двигателями General Electric GE90-115B. Не думаю, что есть существенные технические преграды на пути создания подобной силовой установки.
За счет ТРД перспективный одноступенчатый воздушно-космический ракетоплан будет подниматься до высоты 10 тыс. метров. Дальнейший разгон и подъем ракетоплана должны обеспечить широкодиапазонные прямоточные воздушно-реактивные двигатели, которые должны разогнать аппарат до скоростей порядка 15М и высоты 40 – 50 километров.
Дальнейший вывод одноступенчатого ракетоплана на низкую орбиту должны обеспечить жидкостные ракетные двигатели, например такие, как разрабатываемый РД-0162 с тягой в районе 200 тонн. А если РД-0162 будет обеспечивать дросселирование тяги в диапазонах 20 – 100%, то скорее всего силовую установку перспективного ракетоплана можно будет еще и упростить…
Кстати о метане.
Перспективный одноступенчатый воздушно-космический ракетоплан должен использовать на всех режимах работы комбинированной силовой установки однообразное топливо.
Жидкий или шугаобразный водород, который предполагалось использовать в проекте Ту-2000, требует очень сложных криогенных систем не только в самом летательном аппарате, но и наземной инфраструктуре. Кроме того, жидкий водород, это достаточно опасный вид топлива.
Жидкий метан при сопоставимых энергетических характеристиках, позволяет значительно упростить, как конструкцию силовых установок, так и наземной инфраструктуры. Метан дешевле. Его проще добывать и хранить.
Самое главное, метан в качестве топлива можно использовать для турбореактивных двигателей.
В середине 70-х годов прошлого века в связи с дефицитом мировой добычи нефти и углублением энергетического кризиса интенсифицировались работы по применению альтернативных видов топлива в промышленности и на транспорте. В СССР Академией наук совместно с рядом научно-исследовательских институтов и конструкторских бюро была разработана программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по широкому внедрению водородной энергетики в народное хозяйство. В авиационной промышленности она получила название: тема “Холод”.
В 80-е годы был создан первый в мире самолет -летающая лаборатория Ту-155 (первоначальное обозначение ЛЛ Ту -154).
Комплекс позволял проводить различные виды испытаний с использованием больших количеств криогенной жидкости. 15 апреля 1988 года самолет Ту-155 совершил первый полет. Самолет Ту-155 прошел обширный комплекс испытаний, в ходе которых установлено 14 мировых рекордов, совершен международный перелет по маршруту Москва – Братислава (Чехословакия) – Ницца (Франция), Москва – Ганновер (ФРГ).
Я не сомневаюсь, может возникнуть резонный вопрос, а зачем разрабатывать многоразовый воздушно – космический аппарат, стоимость разработки которого будет составлять, как минимум полтора триллиона рублей, не считая его изготовления и обустройства наземной инфраструктуры, если на сегодняшний день большинство задач в космосе решается Союзами, Протонами и будущей Ангарой.
На мой взгляд, если подобный одноступенчатый воздушно – космический ракетоплан будет создан в России, то партнерам из NASA, гражданину Илону Маску, а также товарищам из Пентагона можно будет смело сказать – «Ты кто такой? Давай, до свидания!».
Ну а если серьезно, то мы заложники тех идей и технологий, которые мы используем в своей практике.
Почему сегодня для решения существующих задач в космическом пространстве нам достаточно Союзов, Протонов и Анагары?
Потому, что задачи формулируются исходя из того, что мы обладаем Союзами, Протонами и Ангарой.
Чтобы перейти на следующий уровень решения задач в космическом пространстве, т.е. эволюционировать, нужно совершить «квантовый скачок» в технологиях, которые будут обеспечивать решение этих задач. Нужно не просто совершить несколько технологических шагов, а перепрыгнуть сразу на новый уровень.
Даже если на первоначальном этапе этот технологический ресурс в виде одноступенчатого воздушно – космического ракетоплана будет казаться избыточным, то в этом нет ничего страшного. Он, как локомотив за собой потянет концептуальную идеологию тех задач, которые Россия может решать на пути освоения космического пространства.
Если полет в космос за счет использования воздушно – космического ракетоплана будет немногим более сложным, чем полет обычного самолета из Москвы в Нью-Йорк, то многое поменяется…
Таким образом, перспективный одноступенчатый воздушно-космический ракетоплан должен быть многофункциональной системой.
Во-первых, подобная система должна обеспечивать доставку на низкую орбиту одновременно не менее 30 пассажиров – космонавтов.
Во-вторых, подобная система должна обеспечивать вывод на низкую орбиту, а также спуск с орбиты не менее 20 тонн грузов.
В-третьих, подобная система должна обеспечивать доставку на низкую орбиту готовых космических модулей, сопоставимых по массово-габаритным размерам с модулем «Расвет» или телескопом «Хаббл».
В таком варианте, подобная система будет действительно интересна не только для гражданского космоса, но и министерство обороны Российской Федерации будет счастливо получить в свои руки подобный инструмент. А уже там ему применение найдут, и в этом я не сомневаюсь.
