29 июня 2017г.
В настоящей статье применяются следующие ключевые термины с соответствующими определениями:
• Многоразовые космические транспортные системы (МКТС) – средства выведения и транспортно-технологического обслуживания орбитальных группировок космических аппаратов, в состав которых входят многоразовые ступени и космические средства.
МКТС подразделяются на авиационные космические системы многоразового использования (АКС), воздушно-космические системы многоразового использования (ВКС), многоразовые ракетные системы космического назначения (МРС), а также многоразовые космические аппараты (МКА).
• АКС – полностью или частично многоразовые транспортные космические системы горизонтального старта и посадки, использующие в качестве пусковой платформы космических ступеней самолёт-носитель;
• ВКС – полностью многоразовые одноступенчатые космические системы, старт и приземление которых происходят горизонтально;
• МРС – полностью или частично (МРКС) многоразовые ракетные системы космического назначения вертикального страта, которые включают в свой состав как ракетные ступени, так и космические корабли;
• МКА – многоразовый космический аппарат самолётной схемы, выводимый на орбиту и возвращающийся с неё после выполнения целевых задач.
Одним из наиболее перспективных направлений развития ракетно-космической техники является переход к использованию средств выведения (СВ) многоразового применения.
Внедрение многоразовости в СВ – это один из радикальных путей совершенствования в части расширения возможностей транспортных операций, повышения их надёжности, экологической безопасности, включая сокращение и полную ликвидацию районов падения отделяющихся частей ракет- носителей (РН) по трассам пусков.
Для достижения поставленной цели необходим переход к частично и полностью многоразовым МКТС, таким как частично многоразовые всеазимутальные ракеты-носители вертикального старта с многоразовой первой ступенью, возвращаемой в район старта или полностью многоразовые одноступенчатые ракетно-космические системы вертикального или горизонтального старта и горизонтальной посадки.
На протяжении многолетней истории в различных странах рассматривалось множество проектов и концепций разработки и создания МКТС. В мире существует достаточно много программ в области создания МКТС.
Так, проектно-поисковые работы по определению рациональных направлений развития и использования многоразовых средств выведения проводятся в России, США, Европе, Японии, Китае и Индии.
АКС
В настоящее время работы по АКС проводятся в таких странах, как США, Россия, Китай, Германия, Великобритания. Разрабатывается целый ряд концепций создания и проектов АКС.
Первая в нашей стране попытка использования горизонтального старта для выведения космических аппаратов была предпринята в 60-е гг. В конструкторском бюро А.И. Микояна разрабатывался проект двухступенчатой авиационно-космической системы «Спираль». В качестве самолёта-носителя (СН) – гиперзвуковой самолёт-разгонщик (ГСР) с максимальным числом М = 6. Ракетная часть – одноступенчатая ракета, выводящая на низкую орбиту многоразовый воздушно-космический аппарат. Кроме того, в России уже много лет НПО «Молния» работает над проектом многоцелевой авиационно-космической системы (МАКС), состоящей из самолёта-носителя Ан-225 «Мрия» и орбитального самолёта с внешним топливным баком.
В США ведутся работы по проектам – Eclipse Astroliner (проект разрабатывается фирмой Kelly Space and Technology), Space Cruiser System (разрабатывается компанией Vela Technology Development, Virginia), HSGTS (разрабатывается фирмой Boeing).
В Германии ведутся работы по проекту SÄNGER. Предполагалось, что реализация этого проекта обеспечит западноевропейским странам сравнительно дешёвый и независимый от США доступ в космос с возможностью горизонтального старта с обычных воздушных взлётно-посадочных полос в Европе и непосредственное выведение полезного груза на любую заданную орбиту. Для отработки гиперзвуковых технологий по программе SÄNGER была начата разработка экспериментального гиперзвукового самолёта HYTEX.
Анализ работ, проводимых в России и за рубежом по направлению АКС, показывает, что отсутствие необходимых ГСР и низкое весовое совершенство конструкционных материалов не позволяет приступить к их созданию. Существуют и разрабатываются только экспериментальные аппараты для исследований в области гиперзвуковых двигательных установок (ДУ) и многоразовых КА.
ВКС
ВКС оснащается комбинированными двигательными установками. Такие установки могут включать в свой состав воздушно-реактивный двигатель (ВРД), гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД) и жидкостный ракетный двигатель (ЖРД).
Разработка КДУ является особенно трудной и значительной проблемой при создании ВКС.
Именно нерешённость вопроса разработки многорежимной воздушно- реактивной ДУ в сочетании с необходимостью значительного финансирования не позволили в 1980-х гг. реализовать английскую концепцию HOTOL, а в начале 1990-х гг. по этой же причине США отказались от высокотехнологичного аппарата NASP.
В настоящее время работы по ВКС проводятся в таких странах, как США, Россия, Япония, а также в странах Европы. Разрабатывается целый ряд концепций создания и проектов ВКС.
В США ведутся работы по проектам Pathfinder (в рамках программы ВВС США «SPACECAST» 2020), SA-1 (разрабатывается компанией Space Access LLC), FSV (прототип экспериментального гиперзвукового аппарата Х-43), TAV (разработка исследовательской лаборатории ВВС США AFRL), HSGTS (разрабатывается фирмой Boeing).
Из отечественных проектов ВКС наиболее известны разработки по темам Ту-2000 АНТК им. А.Н. Туполева и «Аякс» холдинговой компании «Ленинец» (г. Санкт-Петербург).
Анализ работ, проводимых в России и за рубежом по направлению ВКС, показывает, что отсутствие эффективных комбинированных двигательных установок и низкое весовое совершенство конструкционных материалов не позволяют приступить к их созданию. Существуют только экспериментальные аппараты – гиперзвуковые летающие лаборатории, как в России, так и за рубежом.
МРС
В настоящее время работы по МРС активно проводятся в России (приоритет страны в сфере МКТС), США, странах ESA и Индии.
Также не исключено, что МРС могут «вписаться» в планы модернизации американских вооружённых сил. Для МРС военного назначения основной задачей является снижение затрат на выполнение поставленной миссии.
В области СВ КА лёгкого класса правительства США и Европейских государств считают необходимым вести разработку новейших технологий, которые могли бы найти применение в составе широкой номенклатуры перспективных МРС различного назначения. Частные компании и правительства ведут поэтапную разработку новых МКТС, в том числе с использованием модернизации имеющихся СВ.
Внесённые правительствами США и Европейских государств изменения в нормативные документы, регламентирующие внешнеторговую деятельность, позволили частным фирмам широко применять в своих проектах зарубежные, в первую очередь российские, технологии. Так, при проектировании МРС предполагается использование существующих отработанных российских двигателей НК-33, РД-120, РД-180 и их модификаций (проект К-1 корпорации Kistler Aerospace, проект Ариан-5/LFBB).
Однако в странах, которые проводят работы по программам создания МРС, существуют трудности с финансированием этих разработок. Финансовые проблемы вынуждают либо привлекать частные инвестиции под государственные гарантии (США), либо решать ключевые технологические проблемы в обеспечение создания МРС, откладывая конкретную реализацию на неопределённый срок.
На собрании министров стран-членов Агентства ESA в 2008 году было решено прекратить финансирование проектов создания многоразовых PH.
Анализ работ, проводимых в России и за рубежом по направлению МРС, показывает, что основным направлением создания МРС является разработка частично многоразовой ракетно-космической системы вертикального старта на основе крылатой многоразовой первой ступени, выполненной по самолётной схеме и возвращаемой в район старта для горизонтальной посадки на аэродром, и одноразовых вторых ступеней и разгонных блоков. Крылатый многоразовый блок первой ступени оснащается маршевыми ЖРД многоразового использования. Данное направление совпадает с разрабатываемой в России МРКС-1. Для обеспечения выведения полезных грузов на заданные орбиты совместно с ракетой-носителем могут использоваться различные существующие и создаваемые разгонные блоки и средства межорбитальной транспортировки (межорбитальные буксиры). Такая схема позволяет реализовать поэтапное сбалансированное развитие систем средств выведения.
МКА
В настоящее время только два государства обладают опытом создания и эксплуатации данного типа космических аппаратов – США и Россия. В США была построена целая серия больших космических кораблей многоразового использования «Спейс шаттл», а также меньших, таких как Х-20 Dyna Soar, X- 37В. В СССР/России был построен тяжёлый орбитальный корабль (ОК) «Буран» и проектировались более лёгкие аппараты – «Заря» и «Клипер».
Космическая программа по использованию ОК «Буран» в СССР/России была свёрнута в связи с невозможностью дорогостоящей эксплуатации аппаратов данного типа в сложившихся новых экономических условиях. В США орбитальные корабли «Спейс шаттл» интенсивно использовались (несмотря на катастрофы «Челленджера» в 1986 году и «Колумбии» – в 2003 году), являясь национальным средством проведения пилотируемых полётов и выведения грузов, а также средством реализации полётов неотделяемых станций «Спейслэб», других международных и частных программ и одним из основных средств доставки крупногабаритных грузов и экипажей большой численности на МКС. Их эксплуатация завершена в 2011 году.
Многие технологически развитые страны, в частности страны Евросоюза (в том числе Франция, ФРГ, Великобритания), Япония, Китай, Индия проводили и проводят исследования, направленные на создание собственных образцов космических систем многократного применения.
Опыт эксплуатации орбитальных пилотируемых станций «Мир» и МКС с использованием многоразового транспортного космического корабля (МТКК) «Спейс Шаттл» определил новое направление в космической деятельности – транспортно-техническое обслуживание (ТТО) КА. Средства ТТО должны включать три основных компонента: полезный груз для обслуживания, системы для работы с ним и средства доставки. Базой для средств ТТО может быть не только Земля, но и, например, орбитальный комплекс, с которого осуществляются перелёты к обслуживаемым КА или к которому они доставляются (подходят) для обслуживания. Не обсуждая вопросы целесообразности выдвижения базы и средств ТТО в космос и общих границ их применения, следует отметить, что в настоящее время актуальны задачи обслуживания КА на низких околоземных орбитах, высокоэллиптических, геостационарных и в точках либрации.
В целом, к операциям ТТО относятся:
• доставка и смена экипажей или экспедиций посещения;
• доставка расходуемых компонентов;
• доставка и возвращение научного и коммерческого оборудования;
• доставка и возвращение сменных целевых модулей;
• возвращение на Землю результатов научных исследований и космического производства;
• проведение научных и технологических экспериментов на борту ОТК;
• инспекция, обслуживание и ремонт космических объектов;
• испытание новых элементов, конструкций и материалов для перспективных космических объектов;
• проведение сборочно-монтажных работ при создании крупногабаритных объектов на орбите.
Анализ специфических возможностей МКТС по выполнению операций транспортно-технического обслуживания целевых космических аппаратов и комплексов показал следующие.
Планируемое на этапе создания в США многоразового транспортного космического корабля (МТКК) «Спейс Шаттл» (~1970-80 гг.) повышение эффективности выполнения космических программ путём активного воздействия на конструкцию и технологию эксплуатации целевых КА (кооперируемость на орбите, ремонтопригодность, приспособленность к обслуживанию на орбите или с возвратом на Землю и др.) с целью устранения неисправностей, повышения срока службы, модернизации и т.п. реализовано практически и активно развивается по программе полётов и операций МТКК.
Таким образом, несмотря на не оправдавшиеся первоначальные (на этапе обоснования концепции) планы снижения удельной стоимости выведения КА с помощью МТКК «Спейс Шаттл» по сравнению с одноразовыми ракетами- носителями, что было в то время (конец 60-х годов) основной задачей проекта, в целом, МТКК «Спейс Шаттл» даёт определённый научно-технический эффект за счёт совершенствования технологий эксплуатации целевых КА, а, обращаясь в будущее, возможно главный эффект накопления опыта и развития интеграции наземной и космической деятельности.
Экспериментальные образцы («демонстраторы») орбитальных кораблей различного назначения (Х- 38 по проекту CRV, Х-40 по проекту SMV, Х-37) создаются и испытываются.
Для представления более полной картины проведён анализ демонстраторов, результаты которого показали, что более 70% проектов направлены на использование для чисто военных целей. Примерно половина проектов находится на стадии лётных испытаний или прошла их.
Таким образом, по результатам анализа состояния существующего научно-технического задела по разработке и созданию МКТС, можно сделать вывод, что лидером в создании проектов МКТС является США. В рамках военных программ США или с привлечением их финансирования в настоящее время проводится отработка новых технологий для многоразовых космических аппаратов и гиперзвуковых летающих лабораторий.
Список литературы
1. Американские военные создадут многоразовый космический беспилотник. Lenta.ru. 12.02.2014г.(https://lenta.ru/articles/2014/02/12/xs1/).
2. Военное обозрение. (http://topwar.ru/1538-ayaks-giperzvukovoj-mnogocelevoj-samolet.html).
3. Дудар Э.Н. Многоразовые аэрокосмические летательные аппараты и системы – особенности полёта и решаемые задачи. Журнал "ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК", № 3, 2011. (http://raen.info/files/3674/vestnik_2011_03-20.pdf).
4. Как была устроена космическая транспортная система Space Shuttle.(http://www.fresher.ru/2016/05/04/kak-byla-ustroena-kosmicheskaya-transportnaya-sistema-space-shuttle/).
5. Одноступенчатый воздушно-космический самолёт, АНТК им. А.Н. Туполева. Авиабаза.(http://www.airbase.ru/sb/russia/tupolev/2000/).
6. Раскрыты цели полёта секретного корабля Boeing X-37. Lenta.ru. 11.05.2016г. (https://lenta.ru/news/2016/05/11/x37b/).
7. СПОСОБНА ЛИ РОССИЯ ДОГНАТЬ СССР В РАЗРАБОТКЕ МНОГОРАЗОВЫХ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ. (http://msk.kprf.ru/2016/01/31/2330/).
8. Фёдоров Ю. ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПРОГРАММА ВООРУЖЕНИЙ–2020: ВЛАСТЬ И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ. Журнал "Индекс безопасности", № 4 (107), 2013. (http://www.pircenter.org/media/content/files/12/13880454280.pdf).
9. Энциклопедия крылатого космоса. (http://www.buran.ru/htm/x-37b.htm).
