Хороший самолёт должен быть ракетой.

При обсуждении прошлой статьи, посвящённой возможности прямого прорыва самолётного носителя с поверхности Земли на околоземную орбиту с использованием гиперзвуковых ВРД в рамках концепции SSTO (Single Stage To Orbit, ОКС — одноступенчатая космическая система) меня обосновано спросили: а можно ли уйти от всего этого морока с многотопливными, много режимными движками, с крыльями разной стреловидности, со входом всего этого добра назад, на гиперзвуковой скорости, в атмосферу Земли и тэ дэ и тэ пэ — и получить в итоге что-нибудь вида «две ступени из того, что летает и есть в наличии» вместо «одной ступени, но в теории».

Выполняю требования слушателей и читателей.
Но, вначале — нам всё-таки надо будет немного пройтись по неизбежным формулам.


Во-первых, я сразу же нарисую вам формулу Циолковского для многоступенчатого вывода груза на орбиту, чтобы вы посмотрели на неё, ужастнулись и забыли, как страшный математический сон:



Для нас остаётся, в общем-то, важным только то, что данная формула копирует оригинальную формулу Циолковского для одноступенчатого вывода,
,
лишь расписывая в более сложной форме (последовательное суммирование) массы отдельных ступеней, участвывающих в  «забеге летательного аппарата» вверх.

Если мы положим данные формулы на график в виде различных значений удельного импульса основного двигателя (I), то получим для SSTO и для TSTO (двухступенчатого вывода на орбиту) вот такие занимательные графики:



Данный график построен для полезной нагрузки в 4 500 килограмм на низкой околоземной орбите (НОО).
Что он показывает?

По оси ординат у нас простой параметр — начальная масса ракетоносителя. Напомню, на фиксированной полезной нагрузке.
А вот по оси абсцисс расположен интересный параметр: структурный коэффициент ракеты-носителя.
Который показывает нам, сколько в рамках той или иной конструкции ракеты-носителя должен занимать её собственный вес в рамках вывода на орбиту всё той же полезнойнагрузки в 4500 кг на низкой околоземной орбите.

И тут мы сразу видим, что нам даёт применение двухступенчатой схемы: для хорошего по сегодняшним меркам ЖРД (с удельным импульсом тяги) для одноступенчатой схемы при общем весе в 100 тонн структурный коэффициент ракеты-носителя должен быть не больше 0,09, а вот для двухступенчатой схемы — может составлять и 0,19.
То есть, на собственную конструкцию 100-тонной одноступенчатой ракеты нам можно потратить всего лишь 9 тонн (9% от его веса), а на двухступенчатую — уже 19 тонн, в два раза больше!
Напомню, при одинаковой полезной нагрузке на орбите.
В случае же, если по каким-либо причинам одноступенчатая ракета у вас не получается в положенной ей массе — вам приходится «залазить» уже в вес самой полезной нагрузки, утяжеляя конструкции ракеты и снижая выводимый вес.

Кроме того, что графики SSTO по сравнению с двухступенчатыми схемами, сильно «прижаты» к оси ординат (даже крупные одноступенчатые ракеты, весом чуть не в 500 тонн, могут рассчитывать всего на структурный коэффициент в 0,12 при заданной нагрузке на НОО, так ещё и их наклон таков, что увеличение массы РН никак особо не влияет на их весовые коэффициенты — они очень быстро выходят на линии, почти параллельные оси ординат.

Двухступенчатая же схема, кроме того, что эффективнее многоступенчатой, позволяет нам ещё и предъявлять гораздо более померные требования к собственной массе крупных ракет и легко делать мощные и тяжёлые ракеты.

Хорошо, со ступенями вроде как понятно: если мы готовы ужаться и иметь не более 10-12% веса ракеты-носителя в его конструкции — можем использовать SSTO.
Если же мы почему-то не можем сделать этого или же если наш ракетноситель достаточно большой — то получается, что в большинстве случаем можно использовать уже две ступени.

Зачем нам в этом случае нужны крылья (самолёт), если мы уже решили, что при некоторых условиях наша космическая система может быть уже и двухступенчатой?

Крылья для космического аппарата, в принципе, являются палкой о двух концах.
С одной стороны, можно использовать подъемную силу крыльев и в силу этого производить взлёт и посадку на обычную взлётно-посадочную полосу.
В этом случае мы избегаем сложных парашютных систем, не играемся в игры «попади в баржу», которыми занимается «Кузнечик», и уходим от сложной и дорогостоящей системы космодромного пуска:

Парашюты ракетных ускорителей Space Shuttle:


Первая, пока неудачная попытка реальной посадки «Кузнечика» на баржу:


С другой стороны, крылья являются мертвым грузом вне атмосферы. Кроме того, достаточно плотная для опоры атмосфера кончается удручающе быстро, а сам по себе профиль крыла становится головной болью для конструктора: те крылья, на которых желательно бы было подняться и потом сесть на ВПП, уже явно не подходят для сверхзвукового полёта, а на гиперзвуке — и вовсе становятся обузой. Нам нужно тратить дополнительное топливо на разгон и торможение крыльев вместе вместе с летательным аппаратом, нужно тратить дополнительную массу на теплоизоляцию крыльев, как только мы переходим к полёту на высоких сверхзвуковых или на гиперзвуковых скоростях.

В общем, хочется сделать космическую систему многоразовой и при этом не сильно тянуть за собой всю ту её часть, которая позволяет комфортно взлетать и садиться с обычных аэродромов.
И, понятное дело, большой и хорошо проработанный дозвуковой самолёт становится привлекательной идеей, вокруг которой и организовывается масса проектов космического двухступенчатого старта.

Первый успешный старт ракето-носителя «Ангара-А5»:


Во-первых, хотелось бы не забыть на фоне первого успешного пуска ракеты-носителя «Ангара-А5» в конце прошлого года, что основной идеей удешевления конструкции «Ангары», кроме использования применявшихся на первом пуске УРМ (универсальных ракетных модулей), которые позволили значительно удешевить производство самой ракеты, является использование в будущем для запуска «Ангары» в качестве разгонной ступени возвращаемого ускорителя «Байкал»:



Хочется верить, что ускоритель «Байкал» вот уже пятнадцать лет тому назад представленный на салоне «МАКС-2001», теперь, после успешного пуска «Ангары» сможет уже в ближайшем будущем взлететь вместе с нею в небо — и продемонстрировать, что концепция ускорителей, возвращающихся домой, на родной аэродром «по-самолётному» ничуть не хуже идей конструкторов «Спейс Шаттла» или «Фалкона».

Тем более, что все компоненты «Байкала» — двигатели, шасси, крылья были уже так или иначе испытаны и проверены на различных системах-предшественниках.
Сам по себе «Байкал» за счёт своих собственных ЖРД совместно с ракетой-носителем «Ангара» стартует вертикально, разгоняется до скорости в 5,64М, а потом, отделившись, совершает аэродинамический манёвр, начальное торможение, после чего отрывает свои собственные крылья и самостоятельно садится на выбранный аэродром.

Проблема в том, что реальный пуск «Байкала», согласно программе испытаний РН «Ангара» мы скорее всего сможем увидеть не раньше 2018 года...

Во-вторых, стоит вспомнить о массе проектов двухступенчатого старта, в котором так или иначе участвовала знаменитая «Мрия» Ан-225 — детище киевского КБ «Антонов».
«Мрию», благодаря её громадному для транспортного самолёта стартовому весу (640 тонн) и не менее впечатляющей грузоподьёмности (250 тонн) оказалась просто-таки идеальной стартовой площадкой для нескольких проектов двухступенчатых систем, выполняя для них роль первой, воздушной ступени.

Вообще, возможность прицепить «между лопаток» Ан-225 практически любой груз с массой в 250 тонн и уйти от проблемы создания стартовой площадки — позволяла разгуляться фантазии конструкторов и проектантов по-полной.


Чисто украинская разработка: уменьшенный «Зенит» на плечах у стандартного Ан-225-100.


Interim HOTOL на закорках у «Мрии». Тоже, к сожалению, не взлетел


Система МАКС — наиболее полно проработанный проект «Мрии» в качестве стартового стола.

Достаточно скромная максимальная скорость «Мрии» (всего лишь в районе 0,8М) искупалась тем, что вторые ступени для неё могли представлять собой по сути полноценные ракеты, а старт их всё-таки мог происходить не с земли, а с высоты в 12 километров, что попутно позволяло ещ и снизить аэродинамические потери относительно старта с Земли.

Однако, даже самая доведенная до момента реализации система воздушного старта — МАКС, на которую к 1988 году было потрачено около 1,5 млрд. долларов в нынешних ценах, так и не увидела своего большого космоса — уникальный инженерно-конструкторский задел, созданный в конце 1980-х годов на десятке предприятий бывшего СССР был растащен и распродан по частям.
Так, уникальный топливный бак, который был создан на мощностях Южного машиностроительного завода и был буквально спасён усилиями НПО «Молния», стал в 1990-е годы мешать коммерческой деятельности, занимая место на открытой площадке в Подмосковье, где складировались нерастаможенные легковые автомобили.
В этой ситуации владелец площадки вначале выставил НПО «Молния» счет за коммерческую аренду занимаемой автостоянки, а когда "Молния" отказалась его оплачивать, смогло "убедить" военного заказчика в ненужности макета бака. После "разрешения" военпреда бак был сразу же разрезан, и 12 тонн чистого алюминия были мгновенно распроданы.


Уникальный подвесной топливный бак МАКСа. Цех ЮМЗ, 1990е годы. На заднем плане — конверсионные троллейбусы "ЮМЗ".

Обсуждать нынешние усилия НПО «Молния» по возрождению транспортной системы МАКС мне даже и не хочется: в современном варианте, с перспективой использования вместо тяжёлой «Мрии» другого, безусловно выдающегося, но гораздо более лёгкого самолёта М-55 «Геофизика» — это лишь слабый повтор идей Бёрта Рутана с его  SpaceShipOne и космическими туристами.

Обидно, что первая реально и массово действующая программа воздушного старта была реализована не в СССР или в России, у которых были все заделы и предпосылки для её воплощения, а в США.
Именно в Соединённых Штатах в 1990-м году стартовала программа РН «Пегас», в рамках которой за 23 года было совершено 42 запуска ракет-носителей с воздушного старта, из которых 37 были полностью успешными.


Ракета «Пегас» под брюхом у самолёта-носителя «Локхид L-1011» 

Для ракеты «Пегас» был использован гораздо более старый и менее грузоподъёмный самолёт — «Локхид L-1011», который в прошлом использовался, как пассажирский и был снят с производства ещё в 1984 году.
В силу этого ракета «Пегас» оказалась гораздо более скромной, чем все проекты на основе «Мрии» (стартовый вес составил от 18 до 23 тонн), но даже это позволяет выводить на НОО полезную нагрузку в 443 килограмма.
Нетрудно посчитать, что в этом случае, если откинуть весь стартовой площадки «Локхида L-1011», в рамках самой РН «Пегас»  обеспечивается вывод на орбиту около 2% от массы снаряжённой ракеты, что весьма неплохо для ракет такого небольшого размерного класса.
Для сравнения похожая на «Пегас» трёхступенчатая ракета «Спарта» выводила на низкую околоземную орбиту полезную нагрузку всего лишь в 45 килограмм. Вот какую внушительную прибавку обеспечила лишь 4% высота от низкой околоземной орбиты и 3% от первой космической скорости, которую обеспечило использование самолта-носителя.

Однако ещё более серьёзный конкурент «Мрии» строится сегодня в пустыне Мохаве, в штате Калифорния.
Его зовут Roc («Птица Рух») и по размаху своих крыльев он ничуть не уступает «Мечте»:



Более подробно о проекте Roc можно почитать по ссылке, здесь же я лишь скажу, что «Птица Рух» должна иметь взлётный вес до 540 тонн (всего лишь на 100 тонн меньше «Мрии»).
Разработку данного проекта финансирует один из создателей SpaceShipOne, соучредитель компании Microsoft, миллиардер Пол Гарднер Аллен, который в 2011 году создал компанию StratoLunch Sysnems.
Для создания «Птицы Рух» будут разобраны два старых «Боинга-747-400», которые позволят оснастить Roc шестью турбореактивными двигателями.
В качестве ракетной ступени для носителя StratoLunch System будет использоваться или модифицированная ракета Falcon 9 Air, или же следующая разработка компании Orbital Systems — «Пегас II».
Таким образом, в «Стратоланч Системс» собираются все технологии и все энтузиасты «новой американской космонавтики» — SpaceShipOne и SpaceX, Берт Рутан и Илон Маск.
И, если у них всё получится — суперсамолёт и ракета воздушного старта смогут выводить на низкую околоземную орбиту 6,1 тонны полезной нагрузки.



По плану первый испытательный полет этого монстра может произойти уже в 2016 году. А первый запуск ракеты с борта «Птица Рух» — уже в 2017-м.

После чего, в принципе, России уже надо будет начинать вовсю жалеть о погубленном МАКСе — и стараться побыстрее доделать перспективный комплекс «Ангара-Байкал».
Потому что, судя по всему, после 2017 года снова надо будет уже не почивать на лаврах, а догонять изо всех сил.
 

Оригинал