Доступный космос

При таком подходе сразу вспоминается аббревиатура «ВКС» («Воздушно-космическая система»), и у многих возникают ассоциации с американским «Шаттлом» или советским «Бураном». Однако я возьму на себя смелость заявить, что это совсем не ВКС, а непонятно что. Потому что более бестолковой схемы с ракетным стартом и самолетной посадкой и придумать сложно. Спрашивается, если основное направление грузопотока имеет направление с земли на орбиту, зачем создавать систему, которая обеспечивает грузопоток в обратном направлении? Разве при таком подходе можно добиться снижения стоимости выведения килограмма груза на орбиту?

Кроме того, платой за многоразовость стало «таскание» туда и обратно утяжеленной крылатой конструкции, которая к тому же мешает при маневрировании на орбите. А сколько проблем с теплозащитным покрытием этой самой «крылатой конструкции»? В общем, изначально ошибочная концепция привела к закономерному результату — запуск «Шаттла», к тому же совсем не таким безопасным, каким декларировался. А «Буран» вообще только один раз слетал, и встал «на прикол» в связи с полной ненужностью.

Я смею также утверждать, что существующие на сегодня ракетные системы выведения себя полностью исчерпали — причем исчерпали уже тогда, когда появились. «Великолепная семерка» (Речь идет о советской двухступенчатой ракете Р-7, впервые запущенной в конце 1950-х, и ее модификациях. — Ред.) трудится, по сути, до сих пор. Для сравнения: сколько поколений самолетов сменилось с тех пор, когда она впервые полетела? А поколений автомобилей? Пожалуй, кое-что из произведенного в то время уже годится в антиквариат.

Кроме того, совсем не секрет, что использование ракет в освоении космоса стало «побочным эффектом» разработки ракет боевых. А тогда на обороноспособности страны не экономили: главное, чтобы щит был, сколько бы он ни стоил. Так и получился «ракетный» космос. Одним словом — опасно, сложно, дорого, уникально. Не то, что самолеты...

Вся эта откровенно безрадостная картина требует принятия принципиально новых решений для снижения стоимости доставки грузов на орбиту, и не в один-два раза, а в десятки, а также для упрощения и повышения безопасности полетов до уровня авиационной техники. Иначе космическое пространство по-прежнему останется малодоступным.

Система должна обеспечивать низкую стоимость доставки грузов на орбиту, а не возвращение грузов с орбиты, поскольку основной грузопоток направлен именно в ту сторону. Как этого достичь? Ответ простой — путем реализации принципа: «Каждый компонент системы должен в максимальной степени соответствовать условиям, в которых он работает». Если по земле лучше ездит автомобиль, то и разгон по земле должен производиться на «автомобильных» принципах, если в воздухе более эффективно и экономично летает крылатый аппарат, то и при нахождении в атмосфере должен использоваться самолет, а не ракета. Только при таком подходе можно достичь максимальной отдачи и эффективности системы в целом.

Исходя из этого, логично прийти к выводу, что воздушно-космическая транспортная система (ВКТС) должна состоять из 3-х основных компонент, каждая из которых должна в максимальной степени соответствовать той среде, в которой она работает, то есть езде по земле, полету в воздухе и полету в космосе. В итоге получается схема, при которой имеется «автомобильный» компонента разгона, на который установлен воздушный носитель (специализированный самолет), к которому, в свою очередь, «подвешивается» космический блок.

При таком подходе каждый компонент системы работает в наиболее подходящих для него условиях и, соответственно, — с максимальной эффективностью. К примеру, самолет при движении по земле никогда не будет делать это так же хорошо, как автомобиль, пусть и рассчитанный на большие скорости (к примеру, как автомобиль класса «Формула-1»). В свою очередь, никакая ракетная техника не будет так успешно и экономично летать в воздухе, как крылатый аппарат (например, даже для самолета, обладающего тяговооруженностью более 1, с точки зрения скороподъемности невыгодно лететь, как ракета, вертикально вверх).

В итоге получается, что ВКТС должна состоять из трех основных частей:

• наземной ступени («автомобильная» платформа-разгонщик);

• воздушной ступени (специализированный самолет-носитель);

• космической ступени.

То, что космическая ступень, в свою очередь, может состоять из нескольких разгонных блоков и аппаратов, сути дела не меняет.

Также немаловажно то, что каждым компонентом (ступенью) ВКТС должны заниматься специалисты соответствующей отрасли. Кроме сугубо технического разделения работ (не секрет, что никто автомобиль не сделает лучше, чем это сделает профессиональный разработчик автомобилей, самолет — авиационный специалист, а ракету — ракетчик), немаловажным является и политический аспект, при котором каждой отрасли достается свой «кусок пирога» и при этом никто не покушается на сферу соседа.

При всей привлекательности предлагаемых решений здесь есть один важный момент. Точнее, два, выражаясь компьютерным языком, «интерфейса», над которыми необходимо будет работать с обеих сторон. Я имею в виду сопряжение наземной (автомобильной) ступени с воздушной (самолетом-носителем) и подвеску космической ступени к воздушной. Но об этом и возможных проблемах, связанных с этим, чуть ниже.

Успешно разработав эти «интерфейсы», вести разработку ступеней можно будет достаточно независимо. Более того, представляется возможным в дальнейшем производить модификацию той или иной ступени, не затрагивая конструкцию других. Возможна и полная замена какой-либо ступени новой, если старая выработала свой ресурс или появилась новая, более эффективная.

Теперь, после описания системы «в целом», необходимо чуть подробнее остановиться на некоторых отдельных моментах. Начну с того, чему, собственно, и должна служить предлагаемая ВКТС, а именно с выведения космических аппаратов (КА) в космос. Как при этом может вестись подготовка к старту и сам запуск? Они могут проводиться следующим образом:

• Разгон системы по взлетно-посадочной полосе.

• Отделение воздушной ступени (и пристыкованной к ней космической) от наземной после достижения скорости отрыва.

• Набор высоты и скорости воздушной ступенью (с космической) для выхода в точку разделения. Оттормаживание наземной ступени. Возврат наземной ступени к точке базирования — возможно, своим ходом.

• Отделение космической ступени от воздушной после достижения точки разделения и при достижении необходимых параметров полета — скорости, высоты, азимута, тангажа и т. д.

• Разгон космической ступени для выхода на заданную орбиту. Возвращение воздушной ступени на аэродром базирования и посадка на нем.

Рассмотрим несколько подробнее выполнение этих этапов. В монтажном корпусе (ангаре) производится сборка всей системы. Под воздушную ступень «подвешивается» космическая, и они устанавливаются на наземную ступень. После проверки всех систем комплекса производится выкатывание его на взлетно-посадочную полосу, где производятся окончательные проверки и заправка. Принимается окончательное решение на запуск.

Разгон системы по взлетно-посадочной полосе до скоростей порядка 200−250 км/ч производится с использованием силовой установки наземной ступени. После достижения нужной скорости двигатели воздушной ступени переводятся на «взлетный» режим, а после достижения всей системой скорости порядка 300 км/ч происходит отделение воздушной ступени от наземной.

После разделения наземная ступень оттормаживается и возвращается на точку базирования. Воздушная ступень, используя свою силовую установку, производит набор высоты с выходом в точку отделения космической ступени с заранее определенными параметрами полета. Эти параметры могут сильно варьироваться в зависимости от поставленной задачи и конструкции ступеней, но представляется, что скорость «связки» к моменту разделения должна составлять порядка 700−900 км/ч на высоте 8−12 км. Азимут полета будет определяться, исходя из заданной орбиты космической ступени, а тангаж — оптимальными условиями разделения и конструкцией ступеней.

Воздушная выполняет маневр бокового разворота с последующим снижением для ухода от космической ступени. Когда расстояние между ступенями достигнет безопасного, космическая ступень включает свою силовую установку, с помощью которой разгоняется дальше и набирает высоту, выходя на заданную орбиту. Воздушная ступень снижается, заходит на посадку и возвращается на аэродром базирования на собственном шасси. Необходимо отметить, что при взлете шасси воздушной ступени не задействованы, что позволяет существенно сэкономить на его массе, о чем подробнее — чуть позже. Сейчас же необходимо остановиться на том, какие могут быть использованы силовые установки, а также на проблеме стыковки ступеней между собой.

Необходимо сразу отметить, что предлагаемая схема ВКТС позволяет подойти к выбору типов используемых двигателей очень гибко и применить совершенно нестандартный подход. В чем он заключается? А в том, что для каждой ступени силовая установка должна в максимальной степени отвечать «условиям эксплуатации», как в прочем, и сама ступень. Понятно, что наземная ступень должна иметь свою собственную силовую установку, обеспечивающую разгон системы до скорости 300 км/ч на дистанции не более 2−3 км. Какая это должна быть установка? Вопрос не такой однозначный, каким может показаться с первого взгляда. Лично мне представляется выгодным использование гибридной системы, когда разгон до скоростей 100−150 км/ч осуществляется в основном с использованием колесного привода, а далее — с использованием турбовинтовых или турбовентиляторных двигателей. Хотя нельзя исключить и использование исключительно колесного привода.

То, что воздушная ступень должна обладать воздушно-реактивной силовой установкой (никаких ракетных двигателей!) вообще не вызывает сомнений. Однако на вопрос, какой конкретно, дать однозначный ответ сразу, без проведения исследований и расчетов, не представляется возможным. Хотя представляется чрезвычайно заманчивым использование силовой установки на базе прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Насколько такой двигатель легче, проще, и соответственно, надежнее ракетного, говорить не приходится.

Возникает естественный вопрос: почему сегодня этот тип двигателей не используется? Дело в том, что такой двигатель принципиально не может работать на малой и нулевой скорости, а это делает невозможным использование его на обычном самолете. Другое дело — предлагаемая система, когда скорость, на которой должны быть запущены двигатели воздушной ступени, далеко не нулевая. Хотя, в принципе, возможно использование комбинированной силовой установки с двигателями разных типов.

Какова должна быть тяговооруженность воздушной ступени? Как ни странно, но такая постановка вопроса в принципе неверна. Поскольку основная задача силовой установки состоит не в разгоне системы по взлетно-посадочной полосе, а в обеспечении максимальной высоты в момент отделения космической ступени, то и силовая установка может быть оптимизирована для работы на больших высотах. Попросту говоря, быть «высотной». А это значит, что относительная тяговооруженность системы у земли может быть меньше, чем у «обычных» самолетов, но гораздо больше на высоте.

Космическая ступень в простейшем случае может представлять собой обычную одноступенчатую ракету с ракетной силовой установкой. Однако никто не запрещает использование и 2-х ступенчатой ракеты, и вообще различного количества разгонных и орбитальных блоков. По всей видимости, возможно также построение космической ступени в виде гиперзвукового разгонщика с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным (или комбинированным) двигателем и отделяемым космическим блоком. При этом не исключается возможность создания многоразового гиперзвукового разгонного модуля, но это — тема совсем другого разговора.

Как я уже отмечал выше, и это совсем не секрет, существует достаточно нетривиальная проблема объединения ступеней в единый «пакет» и их безопасное разделение в процессе полета. Понятно, что главная опасность заключается в угрозе соударения компонент в момент их расстыковки (разделения) или сразу после этого.

Если с «интерфейсом» между воздушным и космическим носителями задача более-менее ясна, и основное здесь — это правильно определить циклограмму расстыковки, чтобы в процессе разделения не произошла потеря устойчивости полета обеих компонент, то с другим «интерфейсом» могут возникнуть достаточно большие проблемы, тем более что подобные задачи ранее не решались (по крайней мере, мне они неизвестны). В связи с этим стоит рассмотреть стык между наземным и воздушным модулями более подробно и посмотреть, каким способом поставленную задачу можно решить.

Первый вопрос, на который необходимо дать ответ: как воздушная ступень будет крепиться к наземной? Дело в том, что фермы (так условно назовем средства крепления воздушной ступени к наземной) могут принадлежать как автомобильной, так и воздушной ступени. В первом случае расстыковка происходит между фермой крепления и воздушной ступенью, во втором — между фермой и наземной ступенью. С первого взгляда кажется, что фермы крепления должны принадлежать наземной ступени. Однако это порождает проблему безопасного разделения при боковом ветре: поскольку космическая ступень подвешивается под воздушной, существует вероятность того, что может произойти соударение космической ступени с боковой частью фермы крепления. Поэтому вполне возможным является вариант, при котором фермы крепления принадлежат воздушной ступени, но после разделения сбрасываются в заданной точке и «спасаются» с использованием парашюта.

Зачем вообще городить весь этот огород и отделять фермы крепления от воздушной ступени? Чтобы максимально облегчить связку воздушной и космической ступеней, поскольку, чем меньше «ненужной» массы будет на борту связки, тем выше она сумеет подняться. Именно для экономии массы и предлагается использовать для разгона по земле отдельную ступень, хоть это и связано с дополнительным усложнением системы. Однако экономия массы за счет шасси и возможности оптимизации силовых установок должны полностью оправдать предлагаемое решение.

Построение ВКТС по предлагаемой схеме имеет и то неоспоримое преимущество, что отсутствует необходимость создания и развития громоздкой наземной инфраструктуры. Фактически, для запуска космического аппарата можно будет использовать любой внеклассный аэродром, опираясь на его уже существующую инфраструктуру, а это очень большая экономия средств. Предварительно представляется возможным осуществлять запуски даже с подмосковного аэродрома «Раменское», имеющего самую длинную взлетно-посадочную полосу в Европе и обладающего развитыми средствами испытания самолетов различных видов и классов. Очевидно, что развитая инфраструктура и близость к центрам разработки и производства существенно снижают накладные расходы на дорогостоящую транспортировку аппаратов.

В заключение хочу сказать, что когда я еще только учился в МАИ, наш преподаватель по системотехнике неоднократно пытался донести до нас с одной стороны очень простую, а с другой очень важную мысль: «Если к любой большой системе применить принцип декомпозиции, то есть разбить систему на несколько достаточно независимых подсистем, то общая сложность разработки такой системы уменьшится не пропорционально, а существенно больше». Иными словами, гораздо проще сделать и «отладить» три независимые подсистемы, а затем соединить их воедино, чем сразу создавать единую систему.

Также хочу отметить то, что создание предлагаемой системы за разумные сроки более чем реально, поскольку опирается на уже существующие в настоящие время разработки и технологии. При этом стоимость выведения груза должна сократится весьма существенно, а запуск космического аппарата из уникальной операции превратится почти в такую же обыденность, как, скажем, полет самолета. Иначе на Луну, а тем более на Марс, без огромных финансовых затрат не полетишь...

Мнение автора письма может не совпадать с позицией редакции.