Беспилотный космический грузовик от ГРЦ Макеева - проект КОРОНА

статья выходного дня

Автомалиновка давно интересуется темой летающих автомобилей, которые сейчас создаются по всему миру и в 2018 году подходят к этапу практической эксплуатации. Но транспорт развивается такими высокими темпами, что на следующем витке развития речь пойдет уже о доступных средствах для полета на околоземную орбиту. Над новыми орбитальными технологиями ведется работа в трех странах мира - России, США и Японии. Сейчас мы остановимся подробнее на перспективном проекте КОРОНА, который создается в известном всему миру ГРЦ им. Макеева.

Содержание

1. Почему применяемые сейчас ракеты не годятся для частных полетов на орбиту?
2. Концепция одноступенчатой водородной ракеты
3. Водородная ракета КОРОНА
4. КОРОНА против "Фалкона"
5. Полетели? Автомалиновка о будущих полетах на орбиту

Почему применяемые сейчас ракеты не годятся для частных полетов на орбиту?

Современные средства выведения полезной нагрузки на орбиту - это огромные многоступенчатые ракеты одноразового или частично многоразового применения. Запуск такой ракеты - это целая технология, связанная с необходимостью перемещения частей ракеты в технологический цех космодрома, сборки ракеты, ее установки на стартовый стол и проведения предстартовых испытаний. В процессе полета от ракеты отваливаются заполненные остатками топлива составные части - ступени, которые падают в специально выбранных для этого безлюдных местах и там разрушаются. И только при запуске новейшей американской ракеты Falcon 9 первую ступень сажают на морскую платформу и используют повторно, что позволяет немного снизить стоимость запуска.

Сложная многоступенчатая схема связана с необходимостью разгона спутника до первой космической скорости (28.5 тысяч км/час, т.е. в 23 раза выше скорости звука) - только в этом случае он останется на орбите Земли, а не упадет обратно на нашу родную планету. Топлива и тяги для разгона до такой высокой скорости требуется очень много, поэтому разгон до околоземной орбиты идет в несколько этапов c отстрелом отработавших свою горючку нижних ступеней ракеты-носителя - первых, второй, а иногда даже и третьей, как в индийской PSLV. Запуск ракеты создает угрозу окружающей среде, особенно при использовании токсичного твердого топлива или гептила, в меньшей степени это относится к применяемой со времен первых полетов в космос паре кислород-керосин.

Понятно, что при такой сложной и затратной технологии ни о каких частных полетах на орбиту не может быть и речи. А нынешние разрекламированные проекты "частного космоса" вроде SpaceShipOne - это не полеты на околоземную орбиту, а туристические суборбитальные полеты на высоту 100 км, которые требуют относительно немного топлива.

Концепция одноступенчатой водородной ракеты

Возможность создания одноступенчатой ракеты для полетов на орбиту появилась не сразу. Основная сложность заключается в том, что одноступенчатая орбитальная ракета должна иметь очень легкую конструкцию - не более 15 тонн на каждые 100 тонн взлетной массы, а с учетом необходимости выводить полезную нагрузку и того меньше. Весь остальной вес должен приходиться на высокоэнергоемкое кислородно-водородное топливо. Это было проблематично для технологий прошлого века - с учетом того, что, например, на лунной ракете "Сатурн-5" одна только электронная система управления весила около 2 тонн! Но сейчас микроэлектронные системы стали почти невесомыми и появились современные композитные материалы, которые позволяют снизить вес конструкции ракеты до требуемых в одноступенчатых носителях.

С учетом новых возможностей с 1990-x годов началась разработка одноступенчатых орбитальных ракет - Delta Clipper в США, RVT в Японии и КОРОНЫ в России. Все эти проекты имеют довольно много общего и основываются на принципе вертикального (ракетного) старта и посадки. Судьба их оказалась сложной, поскольку боссы космической отрасли без особого энтузиазма восприняли новое веяние. Наиболее продвинутый американский проект Delta Clipper, воплощенный в летающем прототипе был грубо, с применением административного ресурса закрыт по инициативе руководства Lockheed Martin. В настоящее время возобновлена работа на российской КОРОНОЙ, что же касается конкурировавшего американского проекта, то его команда стала частной и переключилась на двухступенчатый проект New Glenn.

Водородная ракета КОРОНА

Аббревиатура КОРОНА расшифровывается как "КОсмическая Ракета, Одноступенчатый Носитель". ГРЦ им. Макеева разрабатывает данную ракету с 1992 года. В ходе создания одноступенчатой ракеты было проработано несколько вариантов конструкции, отличавшихся друг от друга стартовой массой, использованием крыльев, дополнительных стартовых ускорителей и т.п. Актуальная схема КОРОНЫ 2000 года опирается на три инновационных решения:

1. Ракетная схема вертикального взлета и посадки, наиболее известным сторонником которой был первый космонавт-инженер К.П. Феоктистов. У аппарата вертикального взлета и посадки нет крыльев, которые не работают на гиперзвуковых скоростях и только ухудшают тепловой режим конструкции при возвращении с орбиты на Землю. Клиновидный вид корпуса КОРОНЫ позволил снизить массу теплозащиты до 6% от общей массы конструкции ракеты. Для сравнения, на вышедшем из употребления крылатом американском "шаттле" относительная масса высокотемпературной теплозащиты составляет более 20%.
    
2. Мощный кислородно-водородный ЖРД с центральным телом, который одинаково хорошо работает на различных высотах. ЖРД с центральным телом сочетает свойства жидкостного и прямоточного реактивного двигателей - газовая струя в таком ракетном двигателе подстраивается под атмосферное давление и эффективно работает как у поверхности, так в стратосфере. Это принципиальное требование для создания подлинно одноступенчатой ракеты без применения стартовых ускорителей. Данный ЖРД является единственным элементом конструкции КОРОНЫ, который еще не отработан в практической космонавтике.
    
3. Легкий корпус из углепластика с центральным расположением полезной нагрузки между большими баками для жидкого водорода и жидкого кислорода. Так сделано для улучшения центровки при возвращении груза с орбиты. Более тяжелый бак (с окислителем) находится в верхней части ракеты.

Многоразовая КОРОНА имеет традиционную для российских ракет среднего класса стартовую массу - около 300 тонн. При этом полезная нагрузка на низкой околоземной орбите составляет до 6 тонн при старте из России и до 7 тонн при старте с морской платформы на экваторе - это близко к возможностям популярной трехступенчатой ракеты "Союз". Если заявленную теоретическую грузоподъемность КОРОНЫ удастся выдержать на практике, то это будет выдающийся результат! Для выведения полезной нагрузки на более высокие орбиты предполагается использовать разгонный блок от "Союза" - "Фрегат", который в принципе может быть возвращен на Землю обратным рейсом КОРОНЫ. Или, что еще лучше - использоваться как многоразовый космический буксир при дозаправке топливом на орбите.

КОРОНА снабжена двигателями для орбитального маневрирования и посадки на Землю. С применением этих моторов она может совершать стыковку с орбитальной станцией, автоматическими космическими аппаратами или другой ракетой аналогичного класса. В частности, при двухракетной схеме запуска вес полезной нагрузки КОРОНЫ можно довести до 11-12 тонн. Идея заключается в том, что первая ракета выводит большую полезную нагрузку, а вторая ракета доставляет на орбиту топливо, необходимое для возвращения космического тяжеловоза на Землю.

Отдельный вопрос заключается в возможности использования ракеты КОРОНА для пилотируемой космонавтики. Теоретически это возможно, но в проекте - не предусмотрено, в первую очередь из-за печального опыта использования "шаттлов". Высокотехнологичные американские аппараты дважды погубили свои экипажи - на старте и при возвращении на Землю. Следует признать, что технологии спасения экипажа на российских одноразовых "Союзах" отработаны значительно лучше, чем это удалось сделать в многоразовой орбитальной системе. Тем не менее, запрос на полеты человека в космос на многоразовых аппаратах все-таки продолжает существовать. Так, президент SpaceX Гвин Шотуэлл заявила: "Полет на многоразовой ракете подобен полету на самолете: я бы лучше полетела на том лайнере, который уже летал - было бы спокойнее в отношении его надежности".

КОРОНА против "Фалкона"

КОРОНА может садиться на площадку, откуда она стартовала (наземную или морскую) и теоретически уже на следующий день может быть запущена снова - после технического обслуживания и заправки компонентами топлива. Такой подход позволяет обеспечить создание постоянного грузопотока между Землей и орбитой. Ресурс многоразовой ракеты рассчитан на 100 полетов в космос, а капремонт с заменой агрегатов проводится через каждые 25 полетов (этому числу полетов соответствует не менее 1 млн. километров "пробега" по орбите вокруг Земли). КОРОНА предельно экологична, поскольку не засоряет природу останками своих ступеней, а в качестве ракетного выхлопа выдает чистый водяной пар.

Сравнивая свою ракету с частично многоразовым американским "Фалконом", разработчики КБ Макеева утверждают: "На наш взгляд... подход ["Фалкона"] может лишь дискредитировать идею создания настоящего многоразового носителя. Такую ракету все равно приходится перебирать после каждого полета, монтировать связи и новые одноразовые компоненты... и мы снова возвращаемся к тому, с чего начали".

КОРОНУ уже сейчас называют "суперконкурентом Фалкона" - имея в виду то, что она может забрать под себя большую часть рынка вывода полезной нагрузки на орбиту точно также, как в наше время это удалось детищу компании SpaceX.

Полетели? Автомалиновка о будущих полетах на орбиту

Важность принципиально нового космического носителя не подлежит сомнению. Советские ракеты-носители середины прошлого века, гениальные по замыслу и конструктивным решениям, но созданные в условиях затратной экономики, уже не выдерживают конкуренцию на мировом рынке, а новые удешевленные проекты вроде "Ангары" и "Союза-5" во многом подобны нынешним американским. Именно этим объясняется возобновление работы над перспективным проектом КОРОНА, о чем 2 января сего года сообщили в ГРЦ им. Макеева. Разработчики КОРОНЫ обещают начать летные испытания ракеты всего через 6 лет после получения необходимого финансирования - это наверняка вызовет критическую реакцию руководителей конкурирующих КБ, которые продолжают создавать многоступенчатые ракеты.

Специалисты справедливо указывают на то, что у одноступенчатых ракет-носителей соотношение веса полезной нагрузки к стартовому весу ниже, чем у традиционной многоступенчатой техники. Здесь ключевой вопрос - насколько оно будет ниже. Многоразовые ракеты можно делать из легких композитных материалов, которые считаются экономически невыгодными для применения в одноразовой ракетной технике. Но приходится добавлять теплозащиту и топливо для возвращения ракеты из космоса, вес которых вычитается из веса полезной нагрузки. Расставить все точки над i можно одним способом - построив одноступенчатую ракету, запустив ее на орбиту и посадив на Землю, тогда станет понятно, может ли она быть экономически эффективной.

Кроме задач конкуренции завтрашнего дня, важна перспектива полетов в ближний космос на частных ракетах. Для таких полетов КОРОНА все-таки несколько тяжеловата. 300-тонную тридцатиметровую махину затруднительно парковать в личном гараже, в отличие от того же летающего автомобиля. Вот если многоразовая ракета станет полегче, например, в расчете на классическую полуторатонную нагрузку - тогда уже можно будет подумать о создании личного космодрома и занятия частным космическим извозом :). К сожалению, строить подобные планы пока еще рано, т.к. современные технологии не позволяют создавать совсем легкие одноступенчатые ракеты-носители. Для одноступенчатой схемы минимальная стартовая масса с топливом составляет 60-70 тонн, а иначе ракета просто не сможет разогнаться до космической скорости. Тем не менее, если нынешний российский проект удастся осуществить, то он станет важным шагом в направлении упрощения космических запусков. Проект КОРОНА позволит отработать технические решения, которые в будущем могут стать основой частного космоса.

В статье использованы изображения КОРОНЫ с сайта popmech.ru

Все материалы про ракетную технику