28 января 2016, 21:47
Юрий Караш,
член-корреспондент Российской академии космонавтики
Идея многоразовой космической техники переживает ренессанс
Ровно 30 лет назад, 28 января 1986 года, погиб американский космический «челнок» «Челленджер». Эта катастрофа стала началом заката шаттлов, а гибель «Колумбии» в 2003 году поставила точку в их дальнейшем использовании. Однако развитие технологий дает «многоразовикам» второй шанс. В том числе в России.
К моменту катастрофы «Колумбии» у «челноков» было более чем достаточно возможностей показать, насколько они соответствуют критериям экономичности и безопасности – ведь они уже почти 22 года курсировали между Землей и космосом. Чтобы понять, почему шаттлы были списаны после 30 лет эксплуатации, нужно взглянуть на исторические корни программы «Спэйс Шаттл».
Стремление исследовать и осваивать космос с помощью многоразовой техники стало проявляться в США еще в конце 1950-х годов, когда ВВС решили создать космоплан под характерным названием «Дайнасор» (Dyna-Soar). Переводится вроде как «динамо-парение», а воспринимается как «динозавр». Скрытый смысл ясен – разрушительная мощь.
Идея космического «динозавра» выросла из проекта суборбитального ракетного бомбардировщика «Зильберфогель», разработанного в Германии во время Второй мировой войны. Орбитальный пятитонный крылатый «Дайнасор», управляемый одним астронавтом, должен был выполнять роль разведчика и бомбардировщика. На орбиту выводился ракетой-носителем (РН), а возвращался как планер. Однако в начале 1960-х годов проект был закрыт. С одной стороны, не было достаточно мощного РН для этого космоплана, с другой – ВВС так и не смогли четко определить задачи, которые предстояло бы решать «динозавру».
Естественно, в СССР дали свой ответ – в виде проекта «Спираль». Работы по нему начались в середине 1960-х годов. «Спираль» должна была состоять из ракетоплана, который разгонялся до гиперзвуковой скорости с помощью специального самолета-разгонщика. После этого ракетоплану предстояло отделиться от носителя и выйти на орбиту с помощью уже ракетной ступени. Увы, система «Спираль» так и не была реализована в том виде, в котором была задумана. Рассматривался также вариант с романтичным названием ЭПОС (экспериментальный пилотируемый орбитальный самолет). Но военные не проявили заинтересованности в развитии этого направления космонавтики, предпочтя сосредоточить все силы на программе «Энергия-Буран».
И пришел «Спэйс Шаттл»
Программа создания челноков была инициирована Ричардом Никсоном в 1972 году, а свой первый полет шаттл совершил в 1981-м. Из всех прочих космических программ Америки эта была, пожалуй, наименее мотивирована внешнеполитическими соображениями. Основной задачей других было либо продемонстрировать всему миру американскую мощь (то, что так явно присутствовало в программах «Аполлон» и «Фридом»), либо способствовать политическому сближению бывших противников по холодной войне (программа МКС). А шаттлы создавались с вполне утилитарными целями – обеспечить относительно недорогой и надежный доступ в космос всем желающим.
Разумеется, не стоит рисовать «портрет» шаттла в виде «голубя мира». «Челнок» был призван решать и военные задачи. Не исключалось его использование и в качестве космического бомбардировщика. Шаттл должен был снизиться над территорией противника, сбросить на нее ядерную бомбу и, используя запас скорости, безнаказанно уйти.
Рассматривался и вариант, отдаленно напоминающий сюжет одной из лент бондианы под названием «Ты живешь только дважды». Там космический корабль подходил к другому, раскрывал свою «пасть», «заглатывал» его и вместе с ним возвращался на Землю. Вот так же и «шаттл» мог бы подойти к неприятельскому космическому аппарату, положить его к себе в «кузов» и доставить в США. Но ни бомбардировочный, ни «охотничий» варианты, к счастью, не были реализованы.
Реализм против оптимизма
Считалось, что шаттлы будут летать по крайней мере раз в неделю (назывались цифры от 25 до 60 полетов в год). Так удалось бы снизить себестоимость миссий. Обеспечить загрузку «челноков» должно было и то обстоятельство, что США фактически отказались от использования и развития флота своих носителей одноразового использования типа «Атлас» и «Дельта».
Однако скоро стало ясно, что прогноз спроса на космические транспортные услуги был чересчур оптимистичным. Кроме того, сложность шаттлов потребовала больше времени для их межполетного обслуживания, чем планировалось. В итоге цифра прогнозируемых стартов в год была вначале понижена до 24, а после – до 12. В реальности пик полетов «челноков» пришелся на 1985 год, когда они девять раз «проткнули» небо над мысом Канаверал.
1986 год стал черным в истории программы «Спэйс Шаттл». Во время выхода на орбиту погиб «Челленджер», погубив семь человек экипажа. Авария произошла из-за прогара правого твердотопливного ускорителя SRB (один из белых «карандашей», прикрепленных по бокам к оранжевому «кабачку» кислородно-водородного бака шаттла). Когда говорят, что «Челленджер» взорвался, это неправильно. Реактивная струя, ударившая из прогоревшего бока SRB, толкнула челнок в сторону, из-за чего он подвергся нерасчетным динамическим и аэродинамическим нагрузкам, которые разрушили его вместе с кислородно-водородным баком. То, что создало иллюзию взрыва, на самом деле было всего лишь облаком водяного пара, которое образовалось из-за соединения в атмосфере кислорода и водорода.
Катастрофа имела двоякие последствия для космической программы США. С одной стороны, шаттлы более чем на два с половиной года прекратили полеты (столько времени потребовалось, чтобы установить причины аварии и предпринять соответствующие действия, чтобы исключить ее повторения). С другой, Америка поняла, что нельзя класть «все яйца в одну корзину», в роли которой выступал грузовой отсек шаттла. НАСА стало реализовывать программу EELV, или «Эволюционировавших носителей одноразового использования». Данные носители, как следовало из их названия, представляли из себя машины, «выросшие» из классических «одноразовиков» типа «Дельта» и «Атлас». Они получили название «Дельта IV» и «Атлас V».
Решению возродить одноразовые носители способствовало и то, что шаттлы оказались не таким уж дешевым транспортным средством. Из-за того, что летали они редко, стоимость каждой из их миссий доходила порой до 450 миллионов долларов. Чтобы было понятнее: если доставить килограмм груза на орбиту с помощью одноразового носителя по ценам начала 2000-х годов стоило около 22 000 долларов, то с помощью «челнока» – почти 35 000.
Обманчивая рутина
В сентябре 1988 года шаттлы вернулись в строй. Теперь их осталось трое – «Колумбия», «Дискавери» и «Атлантис». Был у них, впрочем, еще один брат по имени «Энтерпрайз». Но он в космос никогда не летал, а использовался лишь для воздушных испытаний – поднимался в небо на спине специально оборудованного «Боинга-747», отцеплялся от него и, подобно планеру, спускался на Землю.
В 1992 году в семействе «челноков» прибыло – на свет появился их очередной близнец, которого назвали «Эндевор». Прибавление было как нельзя кстати – наступала эпоха МКС, и основная работа по ее сборке должна была оказаться в руках шаттлов.
Предварительно шаттлы «потренировались» на российском «Мире», в течение трех лет – с 1995 по 1998 включительно – доставляя туда американских астронавтов, а также грузы и оборудование (и даже целый стыковочный модуль). А в 1998 году «Эндевор» привез на орбиту первый американский модуль для МКС под названием «Юнити», который был пристыкован к уже летавшему первому элементу комплекса – российскому модулю «Заря».
Дальше пошла жизнь, как в обычном земном транспортном агентстве – с той лишь разницей, что грузы приходилось доставлять за пределы атмосферы. Сообщение об очередном старте шаттла скорее усыпляло, чем возбуждало интерес – настолько рутинной стала казаться работа «челноков». Выход из этой полудремы был похож на резкое пробуждение из-за привидевшегося ночного кошмара. В феврале 2003 года при возвращении на Землю развалилась «Колумбия» – старейший из летавших в космос шаттлов. Как и при катастрофе «Челленджера», погибли семь человек.
Случившееся стало шоком. Конструкторы настолько были уверены в надежности «челноков» (уверенность эту почти не поколебала даже авария «Челленджера»), что не снабдили их системой аварийного спасения. К слову, для «Бурана» были сконструированы специальные катапультные кресла, которые, будь они установлены на «Челленджере», возможно, спасли бы астронавтов на атмосферном этапе выхода на орбиту.
Пенопласт или «кризис среднего возраста»?
Расследование показало: в момент старта от кислородно-водородного бака отвалился кусок термоизоляции – обычного, в общем-то, пенопласта, который ударил по передней кромке крыла шаттла и пробил дыру в ее термозащите, сделанной из жаростойкой плитки. В процессе выхода на орбиту и в космосе эта дыра никак себя не проявила, но при возвращении на Землю в нее проник воздух, раскалившийся от трения до температуры порядка 1600 градусов Цельсия. Эта перегретая струя газа и пережгла конструкции крыла.
Катастрофы бы не произошло, если бы шаттл был сделан из жаропрочного титана, как первоначально и планировалось. Но это заметно удорожило бы его конструкцию, а ведь шаттл должен был быть относительно недорогим. Поэтому его изготовили из дешевого алюминия, который сохраняет жесткость лишь до температуры 175 градусов, а чтобы «челнок» не расплавился после первого же контакта с плотными слоями атмосферы, его обложили той самой плиткой.
Несмотря на видимую простоту причины аварии и не меньшую простоту ее устранения (все, что нужно – получше укрепить на баке его термоизоляцию), многие специалисты пришли к выводу, что проблемы с безопасностью «челноков» носят более глубокий характер. Их суммарные сомнения по поводу надежности шаттлов выразил один из заместителей генерального конструктора РКК «Энергия»: «Что это за космический корабль, который можно сбить куском пенопласта?!»
Вспомнили, что каждый «челнок» был действительно рассчитан минимум на 100 полетов, но лишь в течение 10 лет. На момент катастрофы «Колумбии», выполнявшей свой 28-й полет, уже исполнилось почти 22 года. Следующим за ней шел «Дискавери» (19 лет, 30 полетов), затем «Атлантис» (18 лет, 26 полетов) и «Эндевор» (11 лет, 19 полетов). Не могла ли усталость материалов, да и всей конструкции в целом стать фактором, который способствовал катастрофе «Колумбии»?
Вспомнили и о не самой удачной компоновке шаттла (который официально называется «космической транспортной системой»). Все основные элементы этой системы – сам шаттл, кислородно-водородный бак и два твердотопливных ускорителя – стоят, тесно «обнявшись», на одном уровне. Это значит, что разрушение одного элемента неизбежно затронет другой, и дальше начнется цепная реакция (что и случилось с «Челленджером»).
У «Союза» же, «Аполлона», да и прочих одноразовых носителей космические корабли сидят на верхушке. Таким образом, разрушение ступеней совсем не обязательно приведет к разрушению корабля, что и было продемонстрировано в ходе двух аварийных стартов «Союзов» в 1975 и 1983 годах. В обоих случаях экипажи выжили и даже не получили никакого ранения.
Неродившиеся «братья» шаттлов
Не стоит думать, будто конструкторская мысль остановилась на создании «челноков». Все сколько-нибудь значительные проекты в области космического транспорта, рассматривавшиеся в 1980–1990-е годы, предусматривали создание техники многоразового использования. Проектировать классические одноразовые машины считалось просто «неприличным».
Во второй половине 1980-х годов НАСА разрабатывало проект HL-20, или «Персональная пусковая система». Суть конструкции коренится в ее английской аббревиатуре HL (Horizontal Lander), что означает «горизонтально приземляющийся» – как обычный самолет или шаттл. Несмотря на то, что HL-20 был рассчитан на 8–10 человек (то есть почти на столько же, на сколько кабина экипажа шаттла), по размерам он значительно уступал «челноку». Дело в том, что шаттл – это «грузовик» с огромным кузовом, в то время как HL-20 – не более чем «микроавтобус».
HL-20 рассматривался как добавление к «челноку». Действительно, зачем гонять МАЗ там, где можно обойтись «Газелью». Предполагалось, что HL-20 будет, подобно маршрутному такси, возить астронавтов на околоземную станцию туда и обратно, осуществлять разведывательные миссии и даже спасать экипажи кораблей, попавших в беду на орбите. Но проект так и не был реализован. НАСА посчитало, что дешевле возить пассажиров на «грузовике», чем тратиться на постройку «микроавтобуса».
В списке несостоявшися проектов-«многоразовиков» за последние 20 лет есть еще как минимум шесть машин. С начала 1990-х годов в США компания Kistler Aerospace, ставшая потом Rocketplane Kistler, разрабатывала двухступенчатый носитель К-1 полностью многоразового использования. На нем предполагалось использовать российские двигатели НК-33 и НК-43. Увы, в 2010 году компания обанкротилась.
Кроме того, закрыты были проекты одноступенчатого Х-33/VentureStar компании «Локхид Мартин», американо-европейского крылатого корабля Х-38, который должен был стать «спасательной шлюпкой» для МКС, а также два проекта многоразовых кораблей американской компании Orbital Sciences, включая пилотируемый «Прометей» и беспилотный Х-34 (впрочем, последний, может быть, еще возродится). Невеселый перечень пополнил и корабль Европейского космического агентства «Гермес».
«Король умер. Да здравствует свита!»
Совершив в обшей сложности 135 полетов в течение 30 лет и доставив на орбиту 355 человек, шаттлы ушли в отставку. Причины, как уже упоминалось – недостаточная экономичность, недостаточная безопасность и утрата военной миссии, первоначально возлагавшейся на него – быть неуязвимым стратегическим бомбардировщиком. Итак, «короля» не стало, но его «многоразовое» дело продолжила «свита», состоящая из космической транспортной техники, правда, заметно меньшего масштаба. В число американских аэрокосмических компаний, разрабатывающих в настоящее время на коммерческой основе новые пилотируемые корабли для НАСА, входит корпорация «Сьерра Невада». Она предложила свой вариант – уменьшенный вариант шаттла под названием «Дрим Чейсер» (Dream Chaser), у которого, кстати, прослеживается конструктивное родство с советским БОРом. И это не случайно.
БОР расшифровывается как «беспилотный орбитальный ракетоплан». Эти небольшие космические аппараты, созданные в СССР, были построены по схеме «несущего фюзеляжа» (то есть фюзеляжа, который благодаря своей форме также создает подъемную силу). Они более 20 раз запускались с испытательными целями с конца 1960-х по конец 1980-х годов. Задача БОРов состояла в том, чтобы отработать технологии, необходимые для производства сначала «орбитального самолета» ОС, а после – корабля многоразового использования, который в конце 1980-х годов явился всему миру под названием «Буран». Был построен и пилотируемый вариант БОРа – «орбитального самолета» под названием МиГ-105, который, правда, проходил лишь атмосферные испытания.
Часть БОРов при возвращении не приземлялись, а приводнялись, некоторые из них – в Индийском океане. Вот тут-то, по сведениям американского интернет-ресурса Arstechnica.com, австралийский самолет-разведчик в 1982 году и «подсмотрел» за тем, как экипаж советского судна извлекает из воды летательный аппарат необычной формы, отдаленно напоминавшей лапоть. Это был БОР-4.
НАСА, по утверждению Space.com, «вдохновилось» фотографиями «лаптя». «Мы потратили уйму времени, пытаясь выяснить, что это такое, – вспоминал сотрудник НАСА Дел Фримэн, участвовавший в анализе полученных снимков с изображением БОР-4. – После этого мы применили метод «обратного проектирования» (это когда суть конструкции устанавливается по ее внешнему виду и/или функциональным свойствам – прим. ВЗГЛЯД). Наконец мы узнали достаточно об этой штуке, чтобы построить ее модель. После того, как мы продули ее в аэродинамической трубе, нам стало ясно, что в руках у нас стоящая вещь».
Так концепция этого советского КА была положена в основу HL-20, а из того, в свою очередь, «вырос» «Дрим Чейсер». Но БОР-4 стал «прародителем» еще как минимум одного американского пилотируемого космического корабля, проект которого был, увы, закрыт. Это – «Прометей», разрабатывавшийся компанией «Орбитал Сайенсез» (Orbital Sciences).
«Сьерра Невада» поначалу не попала в категорию финалистов, получивших заключительный контракт НАСА на производство и ввод в эксплуатацию пилотируемой техники, разработанной частными компаниями (победителями стали «Боинг» и SpaceX). Но корпорация приняла решение продолжить отрабатывать «Дрим Чейсер» за собственный счет.
Наибольших успехов на почве «послешаттловой» многоразовости добилась компания «Боинг». Ее беспилотные «челноки» типа Х-37 уже совершили три полета, один из которых продолжался 15 месяцев, а другой – почти два года. В настоящее время идет четвертый полет Х-37, который должен продлиться как минимум 200 суток.
Разделить коня и трепетную лань
Все предыдущие попытки создать пилотируемую технику многоразового использования сводились к тому, что «коня» (носитель) и «лань» (крылатый корабль с астронавтами) пытались впрячь в одну «повозку», именуемую космической транспортной системой. В итоге получалось дорого, сложно и рискованно для экипажа. Это стало одной из главных причин того, почему НАСА поначалу предпочло дистанцироваться от «Дрим Чейсера», отдав предпочтение «старым добрым» одноразовым носителям и кораблям, которым предстоит в конце этого десятилетия выносить американских астронавтов на орбиту.
SpaceX решила разделить «коня» и «лань». Компания разработала и уже успешно испытала вариант находящегося в эксплуатации «классического» одноразового носителя «Фалькон-9» с многоразовой первой ступенью. Как известно, «Фалькон-9» будет выводить на орбиту и пилотируемые «Драконы». Это – корабли, построенные по классической одноразовой схеме – спускаемый аппарат плюс парашют. Таким образом, с помощью многоразового носителя будет достигнуто снижение стоимости запусков при сохранении конструкции корабля, доказывающей свою надежность (в основном благодаря российским «Союзам») уже более полувека. Разумеется, даже с возвращаемой первой ступенью «Фалькон» будет лишь частично многоразовым, ибо уделом второй ступени будет упасть где-нибудь в океане.
Создает носитель частично многоразового использования и американская компания Blue Origin. Ее носитель «Нью Шепард» (New Shepard) в ноябре 2015 года, после вывода беспилотного корабля на суборбитальную траекторию, смог совершить управляемую посадку рядом с местом старта. По пути SpaceX пошли и европейцы. Проектируемый носитель «Ариан-6» тоже будет частично многоразовым, правда, в меньшей степени, чем «Фалькон-9». У него будет возвращаемой не вся первая ступень, а лишь ее самая дорогостоящая часть – двигательная установка.
У Роскомоса тоже были планы создать новую ракету-носитель, включающую крылатую первую ступень, которая после отделения от одноразовой второй ступени совершит посадку в районе старта. «Космический ракетный комплекс с ракетой-носителем легкого класса с многоразовой возвращаемой первой ступенью, обеспечивающей выведение на низкие орбиты полезной нагрузки массой до 1 тонны, создается с учетом эскизного проекта, разработанного в рамках ОКР «МРКС-1» до 2016 года», – сообщила газета «Известия» со ссылкой на текст проекта Федеральной космической программы (ФКП) на 2016–2025 годы. Система эта в том виде, в котором проектировалась, создана, по-видимому, не будет, но опыт и технологии, полученные в ходе ее разработки, будут реализованы в новой РН легкого класса.
Первый полет и возвращение ступени планировались на срок действия уже следующей космической программы, то есть после 2025 года, при этом на создание многоразовой первой ступени в рамках проекта ФКП 2016–2025 предполагалось потратить 12,5 миллиарда рублей. Возможно, столь немалая сумма стала одной из причин, по которой проектно-конструкторские работы по данной ступени были уже в 2016 году вынесены за пределы данной ФКП на (ориентировочно) 2030 год.
Назад, к шаттлу?
В январе этого года НАСА неожиданно подобрело к компании «Сьерра Невада», выдав ей контракт на завершение работ по мини-шаттлу «Дрим Чейсер», включая его ввод в эксплуатацию. Таким образом, эта компания присоединилась к двум другим – Orbital ATK с кораблем «Сигнус» и SpaceX с «Драконом», которые в рамках нового контракта НАСА будут обеспечивать МКС всем необходимым с 2019 по 2024 годы. Это означает, что космическое агентство США считает – у пилотируемых «челноков» есть будущее, причем ближайшее.
Помимо своей потенциальной экономичности, «Дрим Чейсер» обладает еще рядом свойств, которые делают его привлекательным в глазах НАСА. Например, возвращаясь из космоса в «самолетном» режиме, он будет подвергаться куда меньшим перегрузкам, чем обычная одноразовая капсула. Эта особенность корабля особенно радует ученых, ибо материалы и вещества, полученные в невесомости, в том числе протеиновые кристаллы, не будут «расплющены» этими перегрузками и попадут в руки исследователей на Земле в неизмененном виде. Кроме того, «Дрим Чейсер» может приземлиться на любом аэродроме, способном принять самолет типа «Боинг-737».
Веру НАСА в «многоразовики» разделяет и британская компания Reaction Engines Limited, которая создает орбитальный воздушно-космический самолет «Скайлон» (Skylon). В ту же когорту можно, конечно, занести и построенный компанией Virgin Galactic «челнок» SpaceShipTwo, который через год-два должен начать полеты в космическое пространство с туристами на борту. Он будет преодолевать отметку 100 километров над поверхностью Земли, по которой официально проходит граница, отделяющая нашу планету от космоса. Но данная машина по своему «суборбитальному» характеру скорее относится к категории сверхвысотных самолетов-ракетопланов типа Х-15, испытывавшихся в США в 1960-е годы, чем космических кораблей.
Таким образом, в современном ракето- и космическом кораблестроении проявились две тенденции. Первая – создавать транспортные системы, в которых пониженная стоимость эксплуатации частично многоразовых носителей сочеталась бы с технической простотой, невысокой стоимостью и надежностью одноразовых пилотируемых машин. А вторая – попробовать вернуться к «челнокам», разработанным и построенным с помощью новых, недоступных конструкторам «Спэйс Шаттл» технологий, которые позволят сделать новые многоразовые пилотируемые машины более экономичными и безопасными.
