Космическиекорабли
авиациякосмодром космический корабль
100 лет назад отцы —основатели космонавтики вряд ли могли себе представить, что космические кораблибудут выбрасывать на свалку после одного-единственного полета. Неудивительно,что первые проекты кораблей виделись многоразовыми и зачастую крылатыми. Долгоевремя — до самого начала пилотируемых полетов — они конкурировали на чертежныхдосках конструкторов с одноразовыми «Востоками» и «Меркуриями». Увы,большинство многоразовых кораблей так и остались проектами, а единственнаясистема многократного применения, принятая в эксплуатацию (Space Shuttle),оказалась страшно дорогой и далеко не самой надежной. Почему так получилось?
Ракетостроение имеет всвоей основе два источника — авиацию и артиллерию. Авиационное начало требоваломногоразовости и крылатости, тогда как артиллерийское было склонно кодноразовому применению «ракетного снаряда». Боевые ракеты, из которых вырослапрактическая космонавтика, были, естественно, одноразовыми. Когда дело дошло допрактики, конструкторы столкнулись с целым комплексом проблем высокоскоростногополета, в числе которых — чрезвычайно высокие механические и тепловые нагрузки.Путем теоретических исследований, а также проб и ошибок инженеры смоглиподобрать оптимальную форму боевой части и эффективные теплозащитные материалы.И когда на повестку дня встал вопрос о разработке реальных космическихкораблей, проектанты оказались перед выбором концепции: строить космический«самолет» или аппарат капсульного типа, похожий на головную частьмежконтинентальной баллистической ракеты? Поскольку космическая гонка шла вбешеном темпе, было выбрано наиболее простое решение — ведь в вопросахаэродинамики и конструкции капсула куда проще самолета.
Быстро выяснилось, чтона техническом уровне тех лет сделать капсульный корабль многоразовым практическинереально. Баллистическая капсула входит в атмосферу с огромной скоростью, а ееповерхность может нагреваться до 2 500—3 000 градусов. Космический самолет,обладающий достаточно высоким аэродинамическим качеством, при спуске с орбитыиспытывает почти вдвое меньшие температуры (1 300—1 600 градусов), номатериалы, пригодные для его теплозащиты, в 1950—1960-е годы еще не былисозданы. Единственной действенной теплозащитой была тогда заведомо одноразоваяабляционная обмазка: вещество покрытия оплавлялось и испарялось с поверхностикапсулы потоком набегающего газа, поглощая и унося при этом тепло, которое впротивном случае вызвало бы недопустимый нагрев спускаемого аппарата. Попыткиразместить в единой капсуле все системы — двигательную установку с топливнымибаками, системы управления, жизнеобеспечения и энергопитания — вели к быстромуросту массы аппарата: чем больше размеры капсулы, тем больше массатеплозащитного покрытия (в качестве которой использовались, например,стеклотекстолиты, пропитанные фенольными смолами с довольно большойплотностью). Однако грузоподъемность тогдашних ракет-носителей былаограниченна. Решение было найдено в делении корабля на функциональные отсеки.«Сердце» системы обеспечения жизнедеятельности космонавта размещалось вотносительно небольшой кабине-капсуле с тепловой защитой, а блоки остальныхсистем были вынесены в одноразовые отделяемые отсеки, естественно, не имевшиеникакого теплозащитного покрытия. К такому решению конструкторов, какпредставляется, подталкивал и небольшой ресурс основных систем космическойтехники. Например, жидкостный ракетный двигатель «живет» несколько сотенсекунд, а чтобы довести его ресурс до нескольких часов, нужно приложить оченьбольшие усилия.
И все же идеямногоразовости ракетно-космической техники оказалась живучей. К концу 1960-хгодов в США и несколько позднее в СССР и Европе был накоплен изрядный задел вобласти гиперзвуковой аэродинамики, новых конструкционных и теплозащитныхматериалов. А теоретические исследования подкрепились экспериментами, н томчисле полётами опытных летательных аппаратов, самым известным из которых быламериканский Х-15. В 1969 году NASA заключило первые контракты саэрокосмическими компаниями США на исследование облика перспективноймногоразовой транспортной космической системы Space Shuttle (англ. -«космический челнок»). По прогнозам того времени, к началу 1980-х годовгрузопоток "Земля-орбита-Земля" должен был составить до 800 тонн вгод, и шаттлам предстояло ежегодно совершать 50-60 полетов, доставляя на околоземнуюорбиту космические аппараты различного назначения, а также экипажи и грузы дляорбитальных станций. Ожидалось, что стоимость выведения грузов на орбиту непревысит 1 000 долларов за килограмм. При этом от космического челнокатребовалось умение возвращать с орбиты достаточно большие нагрузки, напримердорогие многотонные спутники для ремонта на Земле. Надо отметить, что задачавозврата грузов с орбиты в некоторых отношениях сложнее вывода их н космос.Например, на кораблях «Союз» космонавты, возвращаясь с Международнойкосмической станции, могут взять менее сотни килограммов багажа.
В мае 1970 года, послеанализа полученных предложений, NASA выбрало систему с двумя крылатымиступенями и выдало контракты на дальнейшую проработку проекта фирмам NorthAmerican Rockwell и McDonnel Douglas. При стартовой массе около 1 500 тонн онадолжна 6ыла выводить на низкую орбиту от 9 до 20 тонн полезного груза. Обеступени предполагалось оснащать связками кислородно-водородных двигателей тягойпо 180 тонн каждый. Однако в январе 1971 года требования были пересмотрены -выводимая масса выросла до 29,5 тонны, а стартовая - до 2 265 тонн. Порасчетам, пуск системы стоил не более 5 миллионов долларов, но вот разработкаоценивалась в 10 миллиардов долларов - больше, чем был готов выделить конгрессСША (не будем забывать, что США вели в то время войну в Индокитае). Перед NASAи фирмами-разработчиками встала задача - снизить стоимость проекта по крайнеймере вдвое. В рамках полностыо многоразовой концепции этого добиться неудалось: слишком сложно было разработать теплозащиту ступеней с объемистымикриогенными баками. Возникла идея сделать баки внешними, одноразовыми. Затемотказались и от крылатой первой ступени в пользу повторно используемыхстартовых твердотопливных ускорителей. Конфигурация системы приобрела знакомыйвсем вид, а ее стоимость, около 5 миллиардов долларов, укладывалась в заданныепределы. Правда, затраты на запуск при этом выросли до 12 миллионов долларов,но это считалось вполне приемлемым. Как горько пошутил один из разработчиков,«челнок спроектировали бухгалтеры, а не инженеры».
Полномасштабнаяразработка Space Shuttle, порученная фирме North American Rockwell (позднееRockwell International), началась в 1972 году. К моменту ввода системы вэксплуатацию (а первый полет «Колумбии» состоялся 12 апреля 1981 года - ровночерез 20 лет после Гагарина) это был во всех отношениях технологический шедевр.Вот только затраты на его разработку превысили 12 миллиардов долларов. Насегодня стоимость одного пуска достигает и вовсе фантастических 500 миллионовдолларов! Как же так? Ведь многоразовое в принципе должно быть дешевлеодноразового (по крайней мере, в пересчете на один полет)? Во-первых, неоправдались прогнозы по объемам грузопотока - он оказался на порядок меньшеожидавшегося. Во-вторых, компромисс между инженерами и финансистами не пошел напользу эффективности челнока: стоимость ремонтно-восстановительных работ дляряда агрегатов и систем достигла половины стоимости их производства! Особеннодорого обходилось обслуживание уникальной керамической теплозащиты. Наконец,отказ от крьлатой первой ступени привел к тому, что для повторногоиспользования твердотолливных ускорителей пришлось организовывать дорогостоящиепоисково-спасательные операции.
Кроме того, шаттл могработать только в пилотируемом режиме, что существенно удорожало каждую миссию.Кабина с астронавтами не отделяется от корабля, из-за чего на некоторыхучастках полета любая серьезная авария чревата катастрофой с гибелью экипажа ипотерей челнока. Это случилось уже дважды - с «Челленджером» (28 января 1986года) и «Колумбией» (1 февраля 2003 года). Последняя катастрофа изменилаотношение к программе Space Shuttle: после 2010 года «челноки» будут выведеныиз эксплуатации. На смену им придут «Орионы», внешне весьма напоминающие своегодедушку - корабль "Аполлон" - и обладающие многоразовой спасаемойкапсулой экипажа.
Челноки новогопоколения
С момента началареализации программы Space Shuttle в мире неоднократно предпринимались попыткисоздания новых многоразовых кораблей. Проект "Гермес" началиразрабатывать во Франции в конце 1970-х годов, а потом продолжили в рамкахЕвропейского космического агентства. Этот небольшой космический самолет, сильнонапоминавший проект DynaSoar (и разрабатываемый в России "Клипер"),должен был выводиться на орбиту одноразовой ракетой «Ариан-5», доставляя корбитальной станции несколько человек экипажа и до трех тонн грузов. Несмотряна достаточно консервативную конструкцию, «Гермес» оказался Европе не по силам.В 1994 году проект, на который израсходовали около 2 миллиардов долларов, былзакрыт. Куда более фантастично выглядел проект беспилотноговоздушно-космического самолета с горизонтальным взлетом и посадкой HOTOL(Horizontal Take-Off and Landing), предложенный в 1984 году фирмой BritishAerospace. По замыслу, этот одноступенчатый крылатый апnарат предполагалосьоснастить уникальной двигательной установкой, сжижающей в полете кислород извоздуха и использующей его в качестве окислителя. Горючим служил водород.
Финансирование работ состороны государства (три миллиона фунтов стерлингов) через три годапрекратилось из-за необходимости огромных затрат на демонстрацию концепциинеобычного двигателя. Промежуточное положение между "революционным"HOTOL и консервативным "Гермесом" занимает проектвоздушно-космической системы "Зенгер" (Sanger), разработанный всередине 1980-х годов в ФРГ. Первой ступенью в нем служил гиперзвуковойсамолет-разгонщик с комбинированными турбопрямоточными двигателями. Последостижения 4-5 скоростей звука с его спины стартовали либо пилотируемыйвоздушно-космический самолет "Хорус", либо одноразовая грузоваяступень «Каргус». Однако и этот проект не вышел из "бумажной" стадии,в основном по финансовым причинам. Американский проект NASP был представлен президентомРейганом в 1986 году как национальная програма а воздушно-космическогосамолета. Этот одноступенчатый аппарат, который в прессе часто называли"Восточным экспрессом", имел фантастические летные характеристики. Ихобеспечивали прямоточные воздушно-реактивные двигатели со сверхзвуковымгорением, которые, по утверждениям специалистов, могли работать при числах Махаот 6 до 25. Однако проект столкнулся с техническими проблемам и, и в начале1990-х годов его закрыли.