Уральская «Корона», как мечта о SSTO

В Kerbal Space Program собрать SSTO гораздо проще, чем на нашей реальной Терре...

Лента новостей как патриотического, так и либерального дискурса пестрит сообщениями о многоразовой одноступенчатой ракете-носителе «Корона» с вертикальным взлётом и посадкой, к разработке которой решили вернуться в миасском ГРЦ им. Макеева.
При этом короткое информационное сообщение уже обросло массой домыслов и допущений, в рамках которых в общем-то, будничная новость о том, что проект «Короны» в очередной раз вышел из предэскизного состояния, преподносится или как эпохальная победа российской науки, или как бездумный распил денег хилого российского бюджета.

В реальности же речь идёт о том, что ГРЦ им. Макеева сейчас, на фоне хорошего бюджетного финансирования новой МБР «Сармат» может себе позволить задуматься и о чём-то «для души» и в более далёкую перспективу, что и вылилось в реанимацию достаточно древнего, но по-прежнему актуального проекта одноступенчатого вывода грузов на околоземную орбиту (в английских источниках такая концепция называется SSTO, single stage to orbit).


Я уже как-то детально описывал всю сложность задачи SSTO. Принципиальные физические и технические ограничения, которые накладываются на такую систему гравитационным полем Земли и нашими собственными возможностями в химическом топливе и в конструировании ракетных систем, достаточно жёсткие и комплексные. Условно говоря — жили бы мы на каком-нибудь Ганимеде или Титане — то и процесс создания нами систем одноступенчатого вывода грузов на околоземную орбиту был бы гораздо проще, нежели в случае привычной нам матушки-Земли. Дабы не повторять уже массу сказанного, отсылаю своих читателей к прошлым статьям на данную тему, где все аспекты создания SSTO рассмотрены достаточно детально (раз, два и три), поэтому тут я сосредоточусь скорее на том, что хочет сделать в перспективе своего проекта ГРЦ им. Макеева — и то, насколько это реально соорудить при текущем уровне техники и технологии.

Основным источником вдохновения для меня будет та информация, что была опубликована самими макеевцами в обрывочных сообщениях по этой теме. Впрочем, иного ожидать и не приходится: программа разработки «Короны» и сегодня находится ещё в предэскизной стадии, скорее представляя из себя «сумму пожеланий», нежели цельный комплект проектно-конструкторской документации.


Этапы эскизных проектов ракеты-носителя «Корона», по годам (кликабельно).

Создание SSTO, как вы понимаете, ознакомившись с текстом по ссылкам, требует недюжинных усилий от проектантов и конструкторов. Задача набора характеристической скорости не менее 8,5 км/с (первая космическая + все гравитационные, аэродинамические и прочие помехи) отнюдь не столь проста, как это кажется в научно-фантастических фильмах. По формуле Циолковского, которая всё равно задаёт механику вывода на орбиту любой ракеты, получается, что для самых совершенных кислородно-водородных ЖРД, для которых скорость истечения продуктов сгорания составляет около 4500 м/с, требуется совершенство конструкции ракеты не менее 0,15. Это означает, что ракета со стартовой массой около 300 тонн (как это указано в последних сообщениях «макеевцев») должна весить не более 45 тонн вместе с полезной нагрузкой (которая заявлена как 7,5 тонн на НОО) и с запасом топлива для торможения с устойчивой орбиты и для обеспечения мягкой посадки (так как в сообщениях идёт речь о многоразовой SSTO). Кроме того, уже понятно, что в «Короне» отказались от аэродинамической схемы с крыльями, которую применяли для управляемого спуска в атмосфере советский «Буран» и американский «Спейс-Шаттл», в силу чего новому SSTO надо будет тормозить в атмосфере по-«Фалконовски», однако делать это не от значения в 1,7 км/с, как это происходит у первой ступени ракеты-носителя SpaceX, а от «честной» первой космической скорости в 7,9 км/с, что сразу же ставит вопрос о весьма мощном тепловом экране для обеспечения торможения в атмосфере Земли.

Для понимания всей сложности возврата аппарата на Землю с околоземной орбиты я отсылаю вас к наглядному видео (английский, включите субтитры) о методике торможения и посадки американского «Спейс-Шаттла», которое честно говорит, что даже космический челнок с его рудиментарными, но аэродинамическими крыльями — это «летающий кирпич», а пилоту «Шаттла» лучше сразу делать трансплантацию титанового сплава на внешний слой своих сжимающихся яичек.


Всё это в значительной мере ограничивает возможности перспективного SSTO. Скажу, как пример, что вес теплозащиты «Спейс-Шаттла» составлял 7,2 тонны при собственной массе челнока в 84 тонны, а теплозащита «Бурана» весила 9 тонн при посадочной массе челнока в 82 тонны.
Даже если просто пересчитать массу теплозащиты для 35 тонной уже «сухой» массы возвращаемой «Короны» пропорционально её собственному весу, то выйдет без малого 3-3,8 тонны дополнительного груза теплозащиты, который опять-таки надо упрятать во все те же ограничения в 15% для веса конструкции SSTO и полезной нагрузки, что для 300-тонной заправленной ракеты, напоминаю, составляет лишь 45 тонн для случая одноступенчатого вывода.

Кроме того, интерес вызывает и упоминание неких «специальных схем выведения на низкие околоземные орбиты», которые якобы позволят поднять полезную нагрузку «Короны» до 12 тонн (увеличив её ещё на 60%). В общем-то, в качестве «специальных схем» на ум приходит лишь три основных принципа: либо каким-то образом поднять и разогнать стартовый космодром для такой ракеты, либо обеспечить «бесплатный» окислитель и реактивную массу для ракеты на начальном, атмосферном участке выведения, либо же, как третья альтернатива, использовать некие альтернативные кислород-водородным двигатели на оконечных участках траектории вывода, уже за пределами плотной земной атмосферы.

Первый вариант, с разгоном «стартового стола», я уже как-то разбирал в своих статьях (например, здесь) и такой вариант, в общем-то, возможен. Прибавка начальной скорости всего лишь в 270 м/c, которую в силах обеспечить даже дозвуковые самолёты-площадки, даёт рост массы полезной нагрузки ракеты на 80%, поэтому не исключено, что под «специальными схемами» вывода и подразумеваются некие суррогаты воздушного старта. Вопрос тут, скорее, в том, что пока что самый грузоподъёмный самолёт в мире, антоновская «Мрия», имеет максимальную грузоподъёмность в 250 тонн, что всё-таки ниже заявленной для «Короны» стартовой массы в 295 тонн, а постройка более грузоподъёмных самолётов в мире пока что не запланирована.

Конечно, никто не зарекается от того, что такие самолёты будут в ближайшее время построены. В конечном счёте, использование тех же «палок и говна» углепластиков и композитов, заявленных для «Короны», для конструирования супер-самолётов вместо алюминиево-магниевых сплавов способно ещё немного поднять их грузоподъёмность от рекордной «Мрии» — до необходимых 300 тонн. Возможно, что кто-то вложится в безумную эстакаду ракетного гипер-маглева или же соорудит громадный аэростат — но пока что по каждому из направлений скорее идёт некое слабое движение и практика небольших проектов, нежели какая-то глобальная работа, которая может привести к технологическому прорыву. Хотя такие варианты и менее вероятны.


Аэростат программы «Елена» пока что помогает запускать суборбитальные ракеты массой в 1 тонну. Согласитесь, далеко от 295 тонн, заявленных для «Короны»!

Вопрос использования для разгона ракеты ВРД, СПВРД или ГПВРД я уже тоже как-то разбирал в своём блоге (раз и два). Вкратце и резюмируя: да, ВРД и ГПВРД могут обеспечить достаточно серьёзную экономию массы для SSTO в силу того, что их удельный импульс гораздо выше такового для ЖРД и РДТТ. Любой воздушно-реактивный двигатель обгоняет ракетный двигатель по этому параметру в силу двух своих конструктивных качеств: во-первых, он не «тянет» на себе запас окислителя, фактически пользуясь беспланым окислителем из окружающего воздуха и, во-вторых, он использует всё тот же воздух, как бесплатную реактивную массу — большая часть продуктов сгорания ВРД или ГПВРД, опять-таки, берётся за счёт разгона всасываемого воздуха, а горючее, которое собственно, и учитывается в формуле Циолковского и влияет на массу ракеты, составляет лишь малую часть массы реактивной струи.

Однако те, кто мог ознакомится с моими статьями по гиперзвуку, думаю, прекрасно осознают все трудности, с которыми уже столкнулись разработчики гиперзвуковых двигателей. Поэтому я достаточно скептически отношусь к идее того, что ГРЦ им. Макеева сможет что-то выжать из этой идеи. Хотя, наверное, попытаться стоит. Кроме того, я обнаружил, что в рамках этой концепции ими уже просчитывался эскизный проект «Короны» в 1995 году. Тогда на первую ступень «Короны» хотели поставить десять ВРД АЛ-31-Ф, которые бы обеспечили бы вертикальный взлёт ракеты массой в 100 тонн и, по сути, обеспечить всё тот же воздушный стартовый стол для SSTO:


АЛ-31Ф в форсажном режиме выдаёт 12,5 тонн тяги. Десятки таких двигателей вполне хватает, чтобы оторвать от Земли ракету полной массой в 100 тонн и разогнать её до сверхзвуковых скоростей. Применяется на истребителе Су-27.

Вернётся ли ГРЦ им. Макеева к таким экзотическим схемам вывода грузов на околоземную орбиту — пока что вопрос открытый. Однако, можно сказать, что как и в случае первой и второй альтернативы, физических ограничений к этому нет, а есть скорее вопрос проектирования и конструирования такого рода систем. Кроме того, гиперзвуковой ГПВРД сегодня уже практически «на выходе в серию» и в США, и в России, а такой двигатель радикально изменит возможности полётов с большими скоростями и в верхних слоях земной атмосферы.

Ну и, наконец, третья альтернатива. Глобальное улучшение кислород-водородного ЖРД. Здесь мы упираемся в то, что скорость истечения продуктов сгорания альтернативных двигателей (и, как следствие, их удельный импульс) может превосходить скорость истечения из ЖРД в разы и даже на порядок, только вот их собственная тяга оказывается просто мизерной. Это сразу же ставит вопрос соотношения реактивной тяги двигателей (T) к массе всей ракеты (W), который очень критичен в случае суборбитального полёта: нам надо, чтобы ракета быстрее разгонялась двигателями, нежели падала на поверхность Земли и тормозилась об атмосферу.


Лаборатория «Янтарь-1», которая была запущена в СССР в 1970-м году с экспериментальным ЭРД. Максимальная Скорость истечения реактивной струи составила 140 км/c, тяга двигателя составила 5 грамм. Масса всей орбитальной части «Янтарь-1» составляла 500 килограмм.

Например, на последних стадиях выведения полезной нагрузки на околоземную орбиту, в принципе, можно использовать высокоимпульсные ЭРД (вариант полётов туда-назад твердотельных ЯРД я пока что провожу по графе «технобезумие»), однако их эффективность (скорость истечения реактивной струи в 40-140 км/c против жалких 4,5 км/с у кислород-водородных ЖРД) будет существенной только на оконечных этапах вывода полезной нагрузки на околоземную орбиту (от высоты около 100 километров и от скорости ракеты в 90-95% от первой космической), где влиянием земной атмосферы в краткосрочном периоде можно пренебречь, а бороться с падением на поверхность планеты помогает кривизна самой Земли и набранная характеристическая скорость. Поэтому использование любых высокоумпульстных альтернатив химическим ЖРД пока что может помочь только на оконечных стадиях вывода полезной нагрузки на околоземную орбиту: слишком мала пока что достигнутая тяга этих «малюток».

Поэтому, в общем-то, моё отношение к проекту «Короны» максимально далеко от обеих крайних точек, характерных для ура-патриотов и караул-либералов: дело это нужное и важное; если ГРЦ им. Макеева продолжает смотреть на звёзды, клепая ракетный щит Родины — честь им и хвала; ну а ждать мгновенных результатов, да ещё и с цифрами, заявленными в пиар-презентации — не стоит. Так как задача создания SSTO вот уже не один десяток лет числится «перспективной» и «необходимой», да только воз и ныне там — слишком уж много физических и технических ограничений есть на пути к этой заветной цели. Но возможные боковые ответвления от такого рода НИОКР интересны и сами по себе — например, высокоимпульсные ЭРД можно использовать для поддержания орбиты искусственных спутников Земли, что ЭРД будут делать гораздо эффективнее современных ЖРД на аэрозине или НДМГ.



Впрочем, нет худа без добра. Как говорится, если не догоним — то хоть согреемся!

alex_anpilogov