Попытка №2. Американское ракетное LEGO.

alex_anpilogov — 19.03.2015

Я думаю, многие любители космонавтики, активно интересущиеся историей и современным состоянием дел в области исследования и освоения космического пространства, уже узнали ракету, запечатлённую на заглавной фотографии.
Эта ракета, а точнее, ракетный ускоритель — самая большая твердотопливная ракета, когда-либо созданная человечеством.
Ну а теперь ставшая и ещё больше.
Это — боковой ускоритель системы «Спейс Шаттл», который теперь стал ещё больше, получив вдобавок к стандартным четырём секциям, с которыми он стартовал вместе с космическим челноком, дополнительную пятую секцию, что позволит ему стать ракетным ускорителем новой сверхтяжёлой космической стартовой системы НАСА, называющейся SLS (Space Launch System).
Именно эта система, согласно задумке НАСА, должна вернуть Соединённым Штатам Америки пальму первенства во всех аспектах освоения космического пространства, попутно дав всему человечеству возможность вернуться к космическому фронтиру, разорвав, наконец, порочный круг низкой околоземной орбиты и поставить снова на повестку дня вопрос освоения Луны и... даже Марса.

Насколько реальна и насколько воплотима в жизнь эта амбициозная программа? Попробуем разобраться.




Сравнительные размеры исторических, современных и разрабатываемых американских стартовых систем.
Вопрос на засыпку: почему «Дельта IV» больше «Фалкон 9»?

Современное состояние американской космонавтики после ухода с арены системы «Спейс Шаттл», достаточно плачевно: самая тяжёлая ракета-носитель в распоряжении США по сотоянию на сегодняшний день — это Delta IV Heavy, которая может вывести на низкую околоземную орбиту (НОО) груз в 28,4 тонны.
Семейство «Дельта IV», несмотря на массу конструкторских, инженерных и коммерческих услилий «Боинга» по созданию и продвижению своего детища на рынок, оказалось «не в нужное время и в ненужном месте»: на фоне низкой стоимости запусков российской ракеты «Протон» и украинской «Зенит-3SL» стоимость запуска полезной нагрузки с помощью «Дельта IV» оказалась совершенно неподъёмной.
Единичный запуск «Дельта IV» обходился в 140-170 млн. долларов, в то время, как стоимость схожего с ней по полезной нагрузке «Протона» составляла около 100 млн. долларов, а стоимость запуска меньшего, но конкурентного с «Дельтой IV» украинского «Зенита-3SL» была и того ниже — всего лишь 60 млн. долларов.
Такая высокая стоимость запуска «Дельты IV» заставила «Боинг» искать для неё исключительно государственные заказы и, в итоге, все запуски «Дельты», кроме одного — оказались проплачены Госдепом американским бюджетом.


Старт ракеты-носителя«Дельта IV» в варианте Heavy. Стартовый вес около 733 тонн.

В конце концов, в середине 2000-х годов «Дельта IV» окончательно выпала из коммерческого сегмента космических запусков — да так и не смогла вернуться туда вплоть до нынешнего времени, когда ей начали уже наступать на пятки ребята из частной лавки SpaceХ, чья ракета Falcon 9 тоже подобралась вплотную к рыночной нише «Дельты IV», а запланированная к запуску в 2015 году модификация той же ракеты под названием Falcon 9 Heavy — даже её превзошла.


При старте Falcon 9 Heavy будут включаться сразу 27 двигателей «Мерлин» тягой по 66 тонн, работающих на керосине и кислороде.

Данное детище Илона Маска должно вывести «частную» космическую программу компании SpaceX на недостижимую ранее высоту: для одноразового варианта ракеты-носителя масса выводимого груза на НОО составит до 53 тонны, на ГПО — 21,2 тонны и на траекторию к Марсу — 13,2 тонны. При возвращении боковых ускорителей и центрального блока, грузоподъемность не превысит 32 тонны на НОО — за многоразовость ракеты-носителя приходится платить дополнительным расходом топлива и, как следствие, уменьшением полезной нагрузки.
Среди технических новинок при разработке Falcon 9 Heavy разработчиком заявлена уникальная возможность перелива горючего и окислителя во время полета из боковых ускорителей в первую ступень ракеты-носителя, что позволит иметь полные топливные баки центральной секции на момент отделения боковых ускорителей и улучшит показатели выводимой на орбиту полезной нагрузки.


Сборка корпусов первых ступеней ракет Falcon 9. Сейчас 8 двигателей уже устанавливают по кругу, с одним центральным. В тесноте, да не в обиде.

«Траектория к Марсу», упомянутая в прошлом абзаце — не абстракция. При стартовой массе 1 462 тонны, вдвое большем, чем масса рекордной на сегодняшний день «Дельты IV», тяжёлый «Сокол» становится уже той необходимой ступенькой, которая позволяет всерьёз задумываться о полётах к Луне и к Марсу. Пусть и в конфигурации, больше похожей на советские эксперименты с аппаратами серии «Зонд», нежели на колоссальную американскую программу «Сатурн-Аполлон».

Однако, в дальнейшем пути наверх концепции «Дельты IV» и Falcon 9 с боковыми ускорителями, являющимися «клонами» их первых ступеней, начинают ожидаемо буксовать.
Всё дело в том, что множить до бесконечности стартовые «боковушки», которые позволяют увеличить массы выводимой на НОО нагрузки, не получается — два или четыре боковых блока ещё можно как-то прицепить к центральному, но вот дальше сложность сборки и управления такой многокомпонентной конструкцией растёт просто-таки по экспоненте.
Именно на этом, в общем-то, и «засыпалась» королёвская лунная ракета Н-1, у которой на первой ступени стояло 30 ракетных двигателей НК-33, что, в совокупности с пятиступенчатой схемой самой ракеты, так и не позволило до конца отработать все вопросы её безаварийного запуска.
Нынешняя конфигурация Falcon 9, стартующая сразу с 27-ю двигателями, уже близка к пределу сложности и дальше, скорее всего, компании Илона Маска уже надо будет увеличивать массу и размеры единичного ракетного блока, что сразу же увеличивает требования по всей цепочке производства, транспортировки и запуска ракеты.

С похожими проблемами, скорее всего, столкнётся и российское перспективное ракетное семейство «Ангара». Небольшой относительный размер единичного блока уже приводит к тому, что на ракету «Ангара-А5» со стартовой массой в 733 тонны сразу приходится ставить четыре разгонные «боковушки» (при грузоподьёмности на НОО в 24,5 тонны).


«Ангара-А5» перед запуском 23 декабря 2014 года. На старте работает пять двигателей РД-191, каждый с тягой в 196 тонн.

Дальнейший рост грузоподъёмности «Ангары» упирается в то, что к базовой секции второй ступени надо цеплять уже не четыре, а шесть ракетных ускорителей, что, пожалуй, уже является неким конструкционным и инженерным пределом для масштабирования пакетных систем, как пределом для концепции Falcon 9 являются 27 двигателей Merlin-1D на трёх стартовых блоках.

Получившаяся в проекте «Ангара-А7» сможет, согласно расчётам, при собственном стартовом весе в 1370 тонн выводить на НОО полезную нагрузку в 50 тонн (в случае использования водородного горючего для второй ступени), что и будет, скорее всего, максимальным масштабированием концепции ракетного семейства «Ангары».


Сравнение «Ангары А5» и концепций «Ангары А7» — с керосиновым и водородным горючим. Заодно тут и ответ — почему «Дельта IV» большая, а Falcon 9 — маленький.


В общем, как ни крути концепты с опорой на ракетный блок класса 200 или даже 400 тонн — всё равно получается, что конструкционный и инженерный карачун предел для таких «пакетных» ракет наступает на стартовом весе в районе 1300-1500 тонн, что соответствует выводимой массе в 45-55 тонн на НОО.
А вот дальше уже надо увеличивать и тягу единичного двигателя, и размер ракетной ступени или ускорителя.

И именно по такому пути идёт сегодня проект SLS.

Во-первых, учтя негативный опыт «Дельты IV», разработчики SLS постарались по-максимуму использовать прошлые наработки. В ход пошло всё и вся: и ракетные ускорители «Спейс Шаттла», которые усилили для целей создания тяжёлой ракеты, и старые водородно-кислородные двигатели RS-25 самого челнока, которые установили на второй ступени, и.... (сторонники теории «лунного заговора» — приготовиться!) давно забытые водородно-киcлородные двигатели J-2X, которые ведут своё происхождение от двигателей второй и третьей ступеней лунной ракеты «Сатурн V» и которые предложено использовать в проектируемых разгонных блоках SLS!

Более того, перспективные планы усовершенствования разгонных ускорителей SLS подразумевают два конкурирующих проекта с использованием ЖРД вместо РДТТ: проект компании «Аэроджет», которая представила для будущего «тяжёлого» носителя свой разрабатываемый керосиново-кислородный двигатель закрытого цикла AJ1E6, ведущий своё происхождение от двигателей НК-33 королёвской ракеты Н-1 — и проект компании «Пратт&Уитни Рокетдайн», которые предлагают... (и снова, неожиданность, луноскептики!) восстановить в США производство двигателей F-1, которые в своё время поднимали с Земли знаменитую ракету «Сатурн V».


Возможно, на эти испытательные стенды снова вернётся жизнь. Испытание первой ступени РН «Сатурн V» — «Сатурн 1С» в августе 1968 года на циклопическом стенде В-2. Заметьте, что ступень перевозится на барже.

Участвует в разработке будущего перспективного стартового ускорителя и нынешний производитель твердотопливных ускорителей, которые стоят на начальной сборке ракеты-носителя SLS, Block I — компания АТК (Alliant Techsystems), которая предложила ещё более укрупнить существующий ускоритель «Спейс Шаттла», увеличив его длину и диаметр. Проект перспективного ускорителя от ATK носит название «Чёрный рыцарь» (Dark knight) .
Ну и, в качестве вишенки на тортике — одна из будущих конфигураций системы SLS, Block Ib, предполагает использование в качестве третьей ступени водородно-кислородного блока, позаимствованного у... ракеты  «Дельта IV»!
Вот такое, понимаешь, «адское ЛЕГО», в котором НАСА постаралось оценить, соединить и использовать все существующие наработки в области тяжёлых ракет.

Что же из себя представляет семейство носителей SLS? Ведь, как мы уже помним по примеру «Дельты IV», «Ангары» и Falcon 9 — габаритные размеры бывают обманчивы.
Итак, вот простая схема для понимания задуманного:



С левой части схемы — существовавшие до сих пор у США тяжёлые ракеты-носители. Лунный «Сатурн V», который мог вывести на НОО полезную нагрузку в 118 тонн и «Спейс Шаттл», который вроде бы и выводил на орбиту сам многоразовый челнок весом от 120 до 130 тонн, но при этом мог доставить вместе с ним лишь весьма скромную полезную нагрузку — только 24 тонн полезного груза.
Концепция SLS будет реализовываться в двух принципиальных вариантах: пилотируемом (crew) и беспилотном (cargo).
Кроме того, неготовность трёх перспективных проектов ракетных ускорителей от «Аэроджет», «Рокетдайн» и АТК заставляет НАСА использовать те «части ракетного ЛЕГО», что есть в наличии — а именно те самые пятисекционные улучшенные ускорители «Спейс Шаттла».
Построенный таким образом переходной «эрзац-носитель» (называющийся официально SLS Block I), тем не менее, согласно всем расчётам, уже будет иметь гораздо более серьёзную грузоподъёмность, нежели эксплуатирующаяся «Дельта IV» или готовый к запуску Falcon 9 Heavy. Ракета-носитель SLS Block I сможет поднять на НОО полезную нагрузку в 70 тонн.

В сравнении с концепцией SLS приведены остановленные разработки НАСА по програме «Созвездие» — так и не созданный до конца ракета-носитель «Арес» («Марс»), который совершил лишь один пробный полёт в 2009 году, в конструкции «Арес 1Х», состоявшей из того же модифицированного четырёхсекционного ускорителя «Спейс Шаттла», к которому был присоединён тестовый нагрузочный пятый сегмент и макетная нагрузка второй ступени. Целью того тестового полёта являлась проверка работы твердотопливной первой ступени в компоновке «single stick» («бревно»), однако наверное, что-то произошло в ходе испытаний, при разделении 1 и 2 ступени, произошел несанкционированный рывок вперед 1-й ступени, вызванный, по всей видимости, догоранием оторванных толчком фрагментов топлива в нем. Твердотопливный ускоритель в итоге догнал макет 2-й ступени и протаранил его.
После этого достаточно неудачную попытку собрать «новое ЛЕГО» из старых деталей в НАСА свернули, проект «Ареса» и само «Созвездие» засунули подальше на полку неудачных концепций, а из разработанного задела в рамках «Созвездия» оставили только достаточно удачный орбитальный пилотируемый корабль «Орион», который был построен по обычной для одноразовых кораблей схеме возвращаемой капсулы, которая окончательно ставила крест на многоразовом планере «Спейс Шаттла».


Космический корабль «Орион» перед своим первым запуском на ракете «Дельта IV». Декабрь 2014 года.

Диаметр корабля «Орион» — 5,3 метра, масса корабля — около 25 тонн. Внутренний объём «Ориона» будет в 2,5 раза больше, чем внутренний объём корабля «Аполлон». Объём кабины корабля составляет около 9 м³. Благодаря такой внушительной для орбитального корабля массе и свободному внутреннему объёму «Орион» при околоземных миссиях на низких орбитах (например, в экспедиции к МКС) может обеспечить жизнедеятельность 6 космонавтов.

Однако, как уже было упомянуто в начале, основной задачей для «Ориона» и должной вывести его на орбиты дальше низкой опорной стартовой системы SLS, является возврат США к задачам освоения дальнего околоземного пространства и, в первую очередь, Луны и Марса.
Именно на полёт к Луне и, возможно, к Марсу и рассчитаны основные усилия США и России в деле усовершенствования своих космических кораблей и ракет-носителей.
Вот тут, в принципе, в удобной табличной форме разобрано отличие американского «Ориона» от российской системы ППТС.
За название ППКС ППТС, конечно, надо кого-то сразу прибить, ну да ладно. Да и вообще, к сожалению, с проектом ППТС пока всё очень сложно.
Поэтому по-поводу ППТС у нас пока только весёлые картинки с выставки. А вот в реальности пока сделано до обидного мало...


Есть лишь макет — между прошлым и будущим. Есть лишь макет — за него и держись...

Кроме проблем с финансированием, непонимания концепции и массы вопросов конструкторского и инженерного плана, будущее ППТС неопределено и из-за отсутствия для некоторых из его запланированных задач адекватной ракеты-носителя. Как я уже сказал, «в металле» пока у России есть только «Ангара-А5», которая может вывести на НОО не более 24,5 тонн, чего вполне хватает на околоземные миссии, но уже категорически мало для дальнейшего штурма Луны или Марса.

Кроме того, концепция ППТС базировалась на создании альтернативной «Ангаре» ракеты семейства «Русь-М», работы над которой тоже были пока что остановлены.


Проекты ракет семейства «Русь» в сравнении с семейством только «Союз» и «Ангара».

Основным назначением ракет семейства «Русь» являлось обеспечение пилотируемых полётов, в силу чего ракета при прочих равных параметрах, обладает меньшей полезной нагрузкой на НОО, нежели ракеты семейства «Ангара». Связано это с тем, что при пилотируемых полётах одним из требований является способность ракеты-носителя уйти со старта даже при отказе одного из двигателей и требование обеспечения продолжения полёта в случае последующего отказа одного из двигателей — с продолжением вывода космического корабля на пониженную орбиту или обеспечивающие спасение и безопасную посадку.

Данные требования, включая особую траекторию выведения, которая должна обеспечить перегрузку на экипаж не более 12 g для любых аварийных ситуаций и наличие системы аварийного спасения (САС), приводят к существенному снижению грузоподъемности «Руси» в пилотируемом варианте.

Кроме того, проектный диаметр базового блока «Руси» в 3,8 метра был выбран, исходя из традиционной для СССР и России перевозки частей ракета-носителей по железной дороге.
В США же сознательно, начиная с программы «Сатурн-Аполлон», первые ступени ракет-носителей делались, исходя из целесообразного размера, при учёте возможности перевозки их водным (прибрежным-морским и речным) транспортом, что значительно упрощало требования по габаритам отдельного блока ракеты.


Перевозка первой ступени РН «Сатурн V» на речной барже Pearl («Жемчужина»).

Сегодня работы по SLS и по «Ориону», даже после краха «Созвездия» идут полным ходом.
После завершения работ по SLS Block I, который будет практически полностью базироваться на существующем заделе по «Спейс Шаттлу», НАСА планирует перейти к следующему, гораздо более амбициозному этапу — SLS Block II, с промежуточными остановками в виде SLS Block Ia и SLS Block Ib.


Вариант сборки LEGO, если раньше будут готовы ракетные ускорители. Block I, Block Ia, а затем — Block II.


Вариант сборки LEGO, если раньше будет готова модифицированная третья ступень. Block I, Block Ib, а затем — Block II.

Ракета-носитель SLS Block Ia уже должна получить какой-то из перспективных ракетных стартовых ускорителей: либо от «Аэроджета» на керосиново-кислородном AJ1E6 закрытого цикла, либо от «Рокетдайна» на доработанном F-1 открытого цикла с «Сатурна V», либо же на новом твердотопливном «Чёрном рыцаре» от АТК.
Любой из этих вариантов будет способен обеспечить конструкции Block Ia грузоподъёмность на НОО в районе 105 тонн, что уже сравнимо с грузоподъёмностью «Сатурна V» и «Спейс Шаттла» (если считать её вместе с челноком).

Те же задачи решит и создание масштабной и приспособленной к размеру всей стартовой системы третьей криогенной ступени, которая сможет дополнить двухступенчатую систему Block I (стартовые ускорители и центральная ступень на двигателях «Спейс Шаттла») третьей ступенью, которая для варианта Block Ia будет, как я уже упоминал, позаимствована из ракеты «Дельта IV» и тоже обеспечит SLS вывод до 105 тонн полезной нагрузки на НОО.

И, наконец, окончательный вариант системы Block II уже должен получить полноразмерную, спроектированную специально для массы SLS третью ступень, которая будет использовать, как и вторая ступень «Сатурна V» 5 усовершенствованных двигателей J-2X и будет выводить на НОО 130 тонн полезной нагрузки.

Но даже несмотря на все эти ухищрения, такое «космическое LEGO» будет стоить около 500 млн. долларов за один запуск, что, конечно, меньше, чем стоимость запуска «Спейс Шаттла» (1,3 млрд. долларов), но всё равно — достаточно чувствительно для бюджета НАСА.

Какие же задачи должна решать SLS и почему НАСА не принимает в учёт вариант Falcon 9 Heavy, который вроде бы должен обеспечивать стоимость в 135 млн. долларов США для одноразовой системы с переливом топлива и для 53 тонн полезной нагрузки на НОО?

Всё дело в том, что НАСА таки нацелилось на Луну, на Марс и даже на астероиды и спутники Юпитера! И Falcon 9 Heavy оказывается для таких задач слишком маленькой ракетой...


Ядерная ракета — к Марсу!

Но это уже, понятное дело, тема для хорошей отдельной статьи....

PS. Перечитав свою статью ещё раз, сообщаю.
Если я критикую современные российские подходы к освоению космического пространства и хвалю американцев — значит тому есть веские причины.
Ещё в 2010 году состояние американской программы освоения космоса было плачевным: программа «Спейс Шаттл» уже планово закрывалась, пуски «Ареса» показали полную несостоятельнсоть идей «Созвездия», все американские газеты и журналы писали о «космическом российском рабстве» для США.
Но, за прошедшие 5 лет космическая отрасль США перегруппировалась, получила необходимое финансирование — и научилась жить в новых, более жёстких условиях.

Сможет ли этим похвастаться через 5 лет российская космонавтика — особенно на фоне того, что нынешний год приносит нам нерадостные вести о закрытии программ РН «Русь-М» и ППТС, переносе сроков запуска космодрома «Восточный» и тотальном сокращении финансирования «Роскосмоса»?
Поживём — увидим. Я держу за наших пальцы крестом.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив