Русский космос: проект «корона» и другие разработки грц макеева

История

Один из первых эскизов многоступенчатой ракеты был представлен в 1556 году в книге военного техника Конрада Хааса. В XVII веке рисунок с изображением ракет был опубликован в труде военного инженера и генерала от артиллерии Казимира Семеновича, «Artis Magnae Artilleriae pars prima» (лат.  «Великое искусство артиллерии часть первая»), напечатанном в 1650 году в Амстердаме, Нидерланды. На нём — трехступенчатая ракета, в которой третья ступень вложена во вторую, а обе они вместе — в первую ступень. В головной части помещался состав для фейерверка. Ракеты были начинены твёрдым топливом — порохом. Это изобретение интересно тем, что оно более трёхсот лет назад предвосхитило направление, по которому пошла современная ракетная техника.

Впервые идея использования многоступенчатых ракет была выдвинута американским инженером Робертом Годдардом в 1914 году, и был получен патент на изобретение. В г. К. Э. Циолковский выпустил в свет свою новую книгу под заглавием «Космические ракетные поезда». Этим термином К. Циолковский назвал составные ракеты или, вернее, агрегат ракет, делающих разбег по земле, потом в воздухе и, наконец, в космическом пространстве. Поезд, составленный, например, из 5 ракет, ведётся сначала первой — головной ракетой; по использовании её горючего, она отцепляется и сбрасывается на землю. Далее, таким же образом, начинает работать вторая, затем третья, четвёртая и, наконец, пятая, скорость которой будет к тому времени достаточно велика, чтобы унестись в межпланетное пространство. Последовательность работы с головной ракеты вызвана стремлением заставить материалы ракет работать не на сжатие, а на растяжение, что позволит облегчить конструкцию. По Циолковскому, длина каждой ракеты — 30 метров. Диаметры — 3 метра. Газы из сопел вырываются косвенно к оси ракет, чтобы не давить на следующие ракеты. Длина разбега по земле — несколько сот километров.

Несмотря на то, что в технических деталях ракетостроение пошло во многом по другому пути (современные ракеты, например, не «разбегаются» по земле, а взлетают вертикально, и порядок работы ступеней современной ракеты — обратный, по отношению к тому, о котором говорил Циолковский), сама идея многоступенчатой ракеты и сегодня остаётся актуальной.

В 1935 году Циолковский написал работу «Наибольшая скорость ракеты», в которой утверждал, что при уровне технологии того времени достичь первой космической скорости (на Земле) можно только с помощью многоступенчатой ракеты. Это утверждение сохраняет свою справедливость и сегодня: все современные носители космических аппаратов — многоступенчатые. Первым рукотворным объектом, пересекшим линию Кармана и вышедшим в космос, была одноступенчатая немецкая ракета Фау-2. Высота полётов достигала 188 км.

Классификация

В отличие от некоторых горизонтально-стартующих авиационно-космических систем (АКС), ракеты-носители используют вертикальный тип старта и (много реже) воздушный старт.

Количество ступеней

Одноступенчатых ракет-носителей, выводящих полезную нагрузку в космос, до настоящего времени не создано, хотя имеются проекты различной степени проработки («КОРОНА», HEAT-1X и другие). В некоторых случаях как одноступенчатая может классифицироваться ракета, имеющая в качестве первой ступени воздушный носитель либо использующая в качестве таковой ускорители. Среди баллистических ракет, способных достичь космического пространства, немало одноступенчатых, в том числе и первая баллистическая ракета «Фау-2»; однако ни одна из них не способна выйти на орбиту искусственного спутника Земли.

Расположение ступеней (компоновка)

Конструктивное исполнение ракет-носителей может быть следующим:

• продольная компоновка (тандемная), у которой ступени расположены одна за другой и работают в полёте поочерёдно (РН «Зенит-2», «Протон», «Дельта-4»);
• параллельная компоновка (пакетная), при которой несколько блоков, расположенных параллельно и относящихся к разным ступеням, работают в полёте одновременно (РН «Союз»);

Используемые двигатели

В качестве маршевых двигателей могут использоваться:

• жидкостные ракетные двигатели;
• твёрдотопливные ракетные двигатели;
• различные комбинации на разных ступенях.

Масса полезной нагрузки

Классификация ракет по массе выводимой полезной нагрузки:

• лёгкая;
• средняя;
• тяжёлая;
• сверхтяжёлая.

Конкретные границы классов меняются с развитием техники и являются достаточно условными, в настоящее время лёгким классом считаются ракеты, выводящие на низкую опорную орбиту груз массой до 5 т, средними — от 5 до 20 т, тяжёлыми — от 20 до 100 тонн, сверхтяжёлыми — свыше 100 т. Появляется также новый класс так называемых «нано-носителей» (полезная нагрузка — до нескольких десятков кг).

Повторное использование

Наибольшее распространение получили одноразовые многоступенчатые ракеты как пакетной, так и продольной схем. Одноразовые ракеты отличаются высокой надёжностью благодаря максимальному упрощению всех элементов. Следует уточнить, что одноступенчатой ракете для достижения орбитальной скорости теоретически необходимо иметь конечную массу не более 7—10 % от стартовой, что при даже существующих технологиях делает их труднореализуемыми и экономически неэффективными из-за низкой массы полезного груза. В истории мировой космонавтики одноступенчатые ракеты-носители практически не создавались — существовали только т. н. полутораступенчатые модификации (например, американской РН «Атлас» со сбрасываемыми дополнительными стартовыми двигателями). Наличие нескольких ступеней позволяет существенно увеличить отношение массы выводимой полезной нагрузки к начальной массе ракеты. В то же время многоступенчатые ракеты требуют отчуждения территорий для падения промежуточных ступеней.

Ввиду необходимости применения высокоэффективных сложных технологий (прежде всего, в области двигательных установок и теплозащиты), полностью многоразовых ракет-носителей пока не существует, несмотря на постоянный интерес к этой технологии и периодически открывающиеся проекты разработки многоразовых носителей (за период 1990—2000-х годов — такие, как: ROTON, Kistler K-1, АКС VentureStar и др.). Частично многоразовой являлась широко использовавшаяся американская многоразовая транспортная космическая система (МТКС)-АКС «Спейс шаттл» («Космический челнок») и закрытая советская программа МТКС «Энергия—Буран», разработанная, но так и не использованная в прикладной практике, а также ряд нереализованных бывших (например, «Спираль», МАКС и др. АКС) и вновь разрабатываемых (например, «Байкал-Ангара») проектов. Вопреки ожиданиям, «Спейс шаттл» не смог обеспечить снижение стоимости доставки грузов на орбиту; кроме того, пилотируемые МТКС характеризуются сложным и длительным этапом предстартовой подготовки (из-за повышенных требований по надёжности и безопасности при наличии экипажа).

Присутствие человека

Ракеты для пилотируемых полётов должны обладать бо́льшей надёжностью (также на них устанавливается система аварийного спасения); допустимые перегрузки для них ограничены (обычно не более 3—4,5 единиц). При этом сама ракета-носитель является полностью автоматической системой, выводящей в космическое пространство аппарат с людьми на борту (это могут быть как пилоты, способные осуществлять непосредственное управление аппаратом, так и так называемые «космические туристы»).

Отложенный старт

Углепластиковая ракета ожидает лишь масштабного старта, при получении необходимой поддержки конструкторы готовы уже через шесть лет начать летные испытания, а через семь-восемь — приступить к опытной эксплуатации первых ракет. По их оценкам, для этого требуется сумма менее $2 млрд — по меркам ракетостроения совсем немного. При этом возврата инвестиций можно ждать уже через семь лет использования ракеты, если количество коммерческих пусков сохранится на текущем уровне, или даже за 1,5 года — если оно будет расти прогнозируемыми темпами.

Более того, наличие на ракете двигателей маневрирования, средств сближения и стыковки позволяет рассчитывать и на сложные многопусковые схемы выведения. Потратив топливо не на посадку, а на довыведение полезной нагрузки, можно довести ее до массы уже более 11 т. Затем КОРОНА состыкуется со второй, «танкерной», которая заправит ее баки дополнительным горючим, необходимым для возвращения. Но все-таки куда важнее многоразовость, которая впервые избавит нас от необходимости собирать носитель перед каждым запуском — и терять его после каждого выведения. Только такой подход может обеспечить создание стабильного двустороннего грузопотока между Землей и орбитой, а вместе с тем и начало настоящей, активной, масштабной эксплуатации околоземного пространства.

Ну а пока КОРОНА остается в «подвешенном состоянии», работа над New Shepard продолжается. Развивается и аналогичный японский проект RVT. Российским разработчикам для рывка может просто не хватить поддержки. Если у вас есть пара лишних миллиардов, это будет инвестицией куда лучшей, чем даже самая большая и роскошная яхта в мире.

Наш эксперт

Александр Вавилин
Образование: Челябинский государственный университет
Работа: ведущий инженер-конструктор проектного отдела ГРЦ им. Макеева

Вертикальная посадка

При полете в атмосфере углепластиковую силовую конструкцию КОРОНы будут покрывать теплозащитные плитки, разработанные в ВИАМ еще для «Буранов» и с тех пор заметно усовершенствованные. «Основная тепловая нагрузка на нашу ракету концентрируется на ее «носке», где используются высокотемпературные элементы теплозащиты, — объясняют конструкторы. — При этом расширяющиеся борта ракеты имеют больший диаметр и находятся под острым углом к потоку воздуха. Температурная нагрузка на них меньше, что позволяет использовать более легкие материалы. В результате мы сэкономили больше 1,5 т. Масса высокотемпературной части у нас не превышает 6% от общей массы теплозащиты. Для сравнения, у «Шаттлов» на нее приходится больше 20%».

Изящная конусообразная конструкция носителя стала результатом бесчисленных проб и ошибок. По словам разработчиков, если взять только ключевые характеристики возможного многоразового одноступенчатого носителя, то придется рассмотреть порядка 16 000 их комбинаций. Сотни из них конструкторы оценили, работая над проектом. «От крыльев, как на «Буране» или Space Shuttle, мы решили отказаться, — говорят они. — По большому счету, в верхних слоях атмосферы они космическим кораблям только мешают. Входят в атмосферу на гиперзвуке такие корабли не лучше «утюга», и только на сверхзвуковой скорости переходят к горизонтальному полету и могут как следует опереться на аэродинамику крыльев».

Осесимметричная конусообразная форма не толь­ко позволяет облегчить теплозащиту, но и обладает хорошей аэродинамикой при движении на очень больших скоростях. Уже в верхних слоях атмосферы ракета получает подъемную силу, которая позволяет ей не только тормозить здесь, но и маневрировать. Это, в свою очередь, дает возможность совершить необходимые маневры на большой высоте, направляясь к месту посадки, и в дальнейшем полете останется лишь завершить торможение, скорректировать курс и развернуться кормой вниз, используя слабые маневровые двигатели.

Вспомним и Falcon 9, и New Shepard: в вертикальной посадке сегодня уже нет ничего невозможного или даже необычного. При этом она позволяет обойтись существенно меньшими силами при строительстве и эксплуатации ВПП — полоса, на которую садились те же «Шаттлы» и «Буран» должна была иметь протяженность в несколько километров, чтобы затормозить аппарат со скорости в сотни километров в час. «КОРОНА, в принципе, может даже взлетать с морской платформы и садиться на нее, — добавляет один из авторов проекта, — конечная точность посадки у нас составит около 10 м, ракета опускается на выдвижные пневматические амортизаторы». Останется лишь провести диагностику, заправить, поместить новую полезную нагрузку — и можно снова отправляться в полет.

КОРОНА до сих пор реализуется при отсутствии финансирования, так что разработчикам КБ Макеева удалось добраться лишь до завершающих этапов эскизного проекта. «Мы прошли эту стадию почти целиком и совершенно самостоятельно, без внешней поддержки. Все, что можно было сделать, мы уже сделали, — говорят конструкторы. — Мы знаем, что, где и когда должно быть произведено. Теперь надо переходить к практическому проектированию, производству и отработке ключевых узлов, а на это требуются деньги, так что сейчас все упирается в них».

Сопротивление материала

Углепластиковые материалы, необходимые для полностью многоразовых и одноступенчатых ракет, применяются в аэрокосмической технике еще с 1990-х. В те же годы инженеры компании McDonnell Douglas оперативно приступили к реализации проекта Delta Clipper (DC-X) и сегодня вполне бы могли похвастаться готовым и летающим углепластиковым носителем. К сожалению, под давлением Lockheed Martin работа над DC-X была прекращена, технологии переданы NASA, где их пытались применить для неудачного проекта VentureStar, после чего многие занятые этой темой инженеры перешли на работу в Blue Origin, а сама компания была поглощена Boeing.

В те же 1990-е этой задачей заинтересовались и в российском ГРЦ Макеева. За прошедшие с тех пор годы проект КОРОНА («Космическая одноразовая ракета, одноступенчатый носитель аппаратов») пережил заметную эволюцию, и промежуточные варианты показывают, как все более простыми и совершенными становились конструкция и компоновка. Постепенно разработчики отказались от сложных элементов — таких как крылья или внешние топливные баки — и пришли к пониманию того, что основным материалом корпуса должен стать именно углепластик. Вместе с обликом менялись и масса, и грузоподъемность. «Используя даже лучшие современные материалы, невозможно построить одноступенчатую ракету массой менее 60−70 т, при этом полезная нагрузка у нее будет совсем невелика, — говорит один из разработчиков. — Но по мере роста стартовой массы на конструкцию (до определенного предела) приходится все меньшая доля, и использовать ее становится все более выгодно. Для орбитальной ракеты этот оптимум — примерно 160−170 т, начиная с этого масштаба ее применение уже может быть оправданным».

В последней версии проекта КОРОНА стартовая масса еще выше и приближается к 300 т. Такая большая одноступенчатая ракета требует использования высокоэффективного жидкостного реактивного двигателя, работающего на водороде и кислороде. В отличие от двигателей на отдельных ступенях, такой ЖРД должен «уметь» работать в очень разных условиях и на разных высотах, включая взлет и полет за пределами атмосферы. «Обычный жидкостный двигатель с соплами Лаваля эффективен лишь на определенных диапазонах высот, — поясняют макеевские конструкторы, — поэтому мы пришли к необходимости использовать клиновоздушный ЖРД». Газовая струя в таких двигателях сама подстраивается под давление «за бортом», и они сохраняют эффективность как у поверхности, так и высоко в стратосфере.

Контейнер полезной нагрузки

Пока в мире не существует рабочего двигателя этого типа, хотя ими занимались и занимаются и в нашей стране, и в США. В 1960-х инженеры Rocketdyne испытывали такие двигатели на стенде, но до установки на ракеты дело не дошло. КОРОНА должна оснащаться модульным вариантом, в котором клиновоздушное сопло — единственный элемент, который пока не имеет прототипа и не был отработан. Есть в России и все технологии для производства композитных деталей — их разработали и успешно применяют, например, во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ) и в ОАО «Композит».

Характеристики одноступенчатой ракеты Корона

Характеристики Короны будут существенно зависеть от применяемого ракетного двигателя, который должен одинаково хорошо работать в различных по плотности средах. Двигатель с соплами Лаваля, применяемый сегодня на ракетных ступенях работает лишь на конкретном диапазоне высот. Макеевские инженеры предлагают использовать клиновоздушные ЖРД, которые способны сами подстраиваться к давлению атмосферы за бортом. Эти двигатели пока не созданы, и в этом направлении предстоит значительная работа.

Высота ракеты на старте составляет около 34 метров при длине 30,5 м. Конусообразная форма позволяет существенно облегчить тепловую защиту и дает эффективные показатели при входе в атмосферу при больших скоростях, позволяя получить как подъемную силу, так и возможность глубокого маневрирования.

Старт осуществляется вертикально, как о посадка, при которой задействуется система аммортизаторов. Идея дозаправки ракеты Корона на орбите с помощью ракеты-танкера позволит довести полезную нагрузку до 11 тонн. И самым главным преимуществом системы является реальная многоразовость, которая позволит осуществлять полеты с высокой частотой и организовать полноценный грузопоток в направлении Земля-орбита.