Аннотация: Краткий анализ возможностей многоразовых ракетно-космических систем, в том числе семейства носителей Falcon.
АН Степанов
FALCON + DRAGON - БУДУЩЕЕ МНОГОРАЗОВЫХ СИСТЕМ?
В интернете (Live Journal) появилось видео запуска носителя Falkon 9 и посадки его первой ступени. Запуск экспериментальный, но в то же время имел целью с помощью многоразового космического аппарата (КА) Dragon доставку грузов на международную космическую станцию (МКС). Экспериментальная его часть заключалась в попытке мягкой посадки отработавшей первой ступени на морскую платформу. Можно считать, что эта часть программы запуска была частично успешной - первая ступень была приведена к месту посадки. Посадка не удалась, так как ступень опускалась на палубу не вертикально, а под углом примерно 45 град и вертикальная составляющая скорости снижения перед посадкой была великоватой. Думаю, что эти проблемы вполне решаемые. Дьявол, как всегда, кроется в деталях. Поэтому займёмся этими деталями. Прежде всего, о самой многоразовости.
Многоразовость - это вечная проблема, сопровождающая человека. Есть одноразовые предметы, использовал и выбросил, а есть и такие, которые служат человеку длительное время. Поэтому не удивительно, что человеку жаль выбрасывать что-то, что может ему ещё послужить, тем более, если изделие это сложное и дорогое. Так получилось и с ракетно-космической техникой. Жаль терять очень дорогую технику. Вот и бродят постоянно идеи спасения и повторного использования если не всех составляющих ракетно-космических комплексов (РКК), то отдельных их элементов. РКК в своём составе имеют как наземные элементы, так и воздушно-космические. Здесь речь пойдёт только о летающей части этих комплексов. В проектах, в проработке и, наконец, на испытаниях и даже в эксплуатации насчитывается несколько их вариантов.
Приведу лишь некоторые из них, наиболее известные. Французский и Европейского космического агентства Гермес. Старт ракетой Ариан-5, далее - орбитальный самолёт. Российский Клипер. Старт ракетой Союз-2. Далее - орбитальный самолёт. Американские Шаттлы. Старт ракетный, орбитальный самолёт. Советский Буран. Выведение на орбиту ракетное, орбитальный самолёт. Всё это системы частично многоразовые. Существуют также проекты полностью многоразовых систем. Это немецкий Зенгер, советско-российский Макс воздушного старта и американский Орион вертикального старта. Из всех перечисленных проектов реально осуществлены и эксплуатировались лишь Шаттлы, а советские Бураны только начали успешно проходить ЛКИ. Таким образом, определённые выводы по достоинствам и недостаткам многоразовых систем можно делать только по результатам запусков Шаттлов. Рассматривая вопросы многоразовости РКК, поговорим отдельно о многоразовости космических возвращаемых аппаратов и отдельно о многоразовости носителей.
Многоразовые возвращаемые космические аппараты
Попробуем разобраться в очерёдности того, что же нужно или желательно спасать и использовать в РКК многократно. Первыми такими элементами являются возвращаемые аппараты. Этими аппаратами могут доставляться на орбитальные пилотируемые станции (ОПС) и возвращаться на землю экипажи и грузы. Могут они исполнять и отдельные, не связанные с ОПС, задачи. До настоящего времени многократно использовался лишь космический аппарат (КА) Шаттл, исполненный в виде самолёта. И в самом деле, это наиболее ценная составляющая РКК. Однако две катастрофы, приключившиеся при полётах Шаттлов, только подтвердили, что на данном этапе развития техники, можно схлопотать неприятность в самом неожиданном месте. Так и случилось с КА Колумбия, "потерявшем" теплозащитную плитку. Другие возвращаемые КА пока никто ещё не использовал даже и во второй раз, хотя для них обеспечивается достаточно "мягкая" посадка. За исключением дважды запускавшихся двух возвращаемых аппаратах (ВА) в Советском Союзе. Об этом - ниже. Полностью многоразовых РКК пока не существует, поэтому сегодня можем сравнивать возможности и эффективность только частично многоразовых и одноразовых. Как видно из опыта применения частично многоразовых Шаттлов, больших преимуществ перед одноразовыми РКК они не показали. Окупаемость многоразовых РКК в большой степени зависит от частоты пусков. Чем чаще, тем дешевле. Однако при проработке проекта эта самая частота запусков для Шаттлов была спрогнозирована сильно завышенной. Для обеспечения такой интенсивности пусков в США было построено 5 космических аппаратов. Предполагалось, что каждый из них должен будет совершить до 100 полётов. С мыса Канаверал Шаттл мог поднять на низкую орбиту груз весом до 24,4 т и снять с орбиты - до 14,4 т. 30 запусков коммерческих спутников в год обеспечивали окупаемость РКК. На самом деле, за 30 лет все 5 Шаттлов совершили всего 135 полётов. Самое большое число полётов - 39 совершил Дискавери. Самое малое, завершившееся катастрофой, 10, совершил Челленжер. Первый полёт совершил КА Колумбия. Это было в годовщину полёта Гагарина 12 апреля 1977 года. 113 полёт Шаттла, это была та же Колумбия, закончился катастрофой при спуске с орбиты.
За всё время полётов на орбиту было доставлено 1370 т, то есть в среднем на один полёт - порядка 10 т. В запланированные при проектировании задачи входило также обслуживание спутников на орбите, снятие их с орбиты и доставка на землю для ремонта. И в самом деле, было 4 полёта для обслуживания телескопа Хаббл, была доставка грузов на ОПС МИР и МКС, 3 спутника сняты с орбиты и два из них после модернизации были возвращены на орбиту, ремонтировался на орбите лишь один. Стоимость пуска не зависела от нагрузки, и она по весу могла варьироваться довольно широко. А это всё равно, что возить на многотонном грузовике какой-то лёгкий груз. С закрытием программы Шаттлов полёт экипажей на МКС осуществляется на российских Союзах. Для снабжения МКС используются одноразовые российский КА Прогресс, американский частный КА Cygnus (Лебедь) и многоразовый частный американский Dragon (Дракон ). Dragon предполагается использовать также и в пилотируемом варианте для доставки (и возвращения) экипажа на МКС.
В Советском Союзе есть некоторый опыт в создании и применении многоразовых космических аппаратов для обслуживания орбитальных станций. Так, ещё в конце 1976 года мы начали запускать транспортный корабль снабжения (ТКС). Он стыковался с ОПС Алмаз, Салют и Мир. Последний полёт состоялся в 1985 году. ТКС состоял из функционально-грузового блока (ФГБ), ВА и системы аварийного спасения (САС). Он доставлял на ОПС различного назначения грузы, компоненты топлива. Двигателями ФГБ с ресурсом 100 включений мог обеспечивать коррекцию орбиты ОПС. ВА конфигурацией напоминал Apollon. Стартовый вес - примерно 7,3 т. Экипаж - 0 - 3 космонавта. Спуск в атмосфере и посадка - тупым концом ("задницей"), оклеенной плиткой, аналогичной применяемой на Буране. Торможение - пороховыми двигателями. 8 полётов, все успешные. В одном полёте было запущено и возвращено сразу 2 ВА. Два других ВА были запущены повторно с положительными результатами. В девяностые рассматривался вопрос о создании на базе этого ВА корабля-спасателя для станции Freedom, а потом и для МКС. Его модификация позволяла возвращать 6 человек. ТКС создавался для работы с военной ОПС Алмаз и запускался РН Протон. В дополнение можно сказать, что хотя нынешние ВА целиком повторно не используются, но их "начинка" используется неоднократно.
В 1987-88 годах разрабатывался многоразовый КА Заря. Он имел в своём составе возвращаемый корабль (ВК) и НО (навесной отсек, отделяющийся перед спуском). Ресурс - 30-50 запусков. Посадка обеспечивается при помощи ЖРД и сотовых амортизаторов. Экипаж - 2-4 человека (и до 8). Запускаться должен был на РН Зенит.
Самой новой разработкой в настоящее время является частный КА Dragon, разработанной по заказу NASA компанией SpaceX. По конфигурации, как и советский ТКС, он напоминает Apollon из лунной программы. Исполняться предполагается в грузовом и пилотируемом вариантах. В грузовом варианте он доставляет к МКС 2395 кг (7-й пуск). Dragon V 2 - пилотируемый вариант. На КА будет устанавливаться ЖРД Super Draco тягой 40 или 54 т. Компоненты топлива: монометил гидразин +тетраоксид азота. Двигатель используется для маневрирования и посадки на землю, а также в качестве САС. Мягкую посадку должны обеспечивать амортизаторы. Экипаж - 7 человек, в грузопассажирском варианте - 4 человека и 2,5 т груза. Стартовый вес - 7,5 т. Новинка: при изготовлении камер сгорания двигателя используется технология лазерного спекания металла (инконеля). Грузовой вариант КА в настоящее время приводняется в океане. В перспективе эти аппараты должны садиться и на землю. Повторно они пока не использовались.
Предполагается, что будет построено 4 таких корабля. Стоимость полёта одного астронавта предполагается $20 млн. Первоначальная стоимость пуска на РН семейства Falcon предполагается $71 млн и затем снижение до $58 млн. В настоящее время доставка грузов и экипажей на МКС осуществляются российскими КА Прогресс и Союз. Стоимость доставки грузов - $5.000/кг, стоимость полёта на КА Союз иностранного космонавта - $12 млн, туриста - $20 млн. В новостях появилось сообщение о том, что NASA хочет купить 6 мест на Союзах по $80 млн. Здесь, на мой взгляд, у репортёра ошибочка - не каждое место 80 млн, а все 6..
Многоразовые ракеты-носители
Самым важным, пожалуй, элементом КРК является носитель. Без носителя невозможен запуск никакого самого расчудесного КА. Он может быть разовым, частично многоразовым или многоразовым полностью. Я уже говорил, что на практике полностью многоразовых носителей пока не было, даже частично многоразовых был всего один - носитель Шаттлов. У этого носителя повторно использовались корпуса пороховых ускорителей. Практика показала, что повторное использование корпусов отработавших разгонных пороховых двигателей доставило больше хлопот, чем экономических выгод. Их нужно было вылавливать в океане, транспортировать на завод, готовить к повторной заливке топлива. При запуске КА Челленжер отказ одного такого ускорителя привёл к катастрофе с гибелью экипажа. Хотя вряд ли можно списать эту катастрофу на повторность использования ускорителя. Такое могло случиться и с новым ускорителем. В силу сложившихся погодных условий прогорел межсекционный уплотнитель, имевший жёсткие ограничения по температуре эксплуатации. Как говорится, сошлись и номер, и серия. Техническое руководство пуском плохо проанализировало метеообстановку (направление ветра) в месте старта. Центральный блок - баки горючего и окислителя - просто сбрасывался в океан.
Попробуем разобраться в каких случаях, что спасать и как спасать. Да и вообще надо ли спасать. В настоящее время в космосе реализуются самые разнообразные программы, в том числе и такие, правда, очень редко, которые требуют РН большой грузоподъёмности. Например, лунная программа потребовала строительства тяжёлого носителя Saturn-5, у нас - носителя Н-1. Никому и в голову не пришло спасать хотя бы первую ступень. Такое мероприятие потребовало бы усложнить её конструкцию, а следовательно, увеличить вес, что повлекло бы за собой необходимость повышения мощности двигательной установки этой ступени. Вряд ли в ближайшем будущем будут строиться такие монстры. О перспективных тяжёлых носителях - немного ниже.
Посмотрим, каким образом, в принципе, можно спасать отработавшую ступень. Первое, что приходит в голову, спускать её на парашюте. Здесь может быть два варианта. Первый - по окончании работы двигателей ступень надо затормозить, обеспечив её свободное падение, и в нужное время выпустить парашюты. Если не предпринять специальных мер, с землёй она соприкоснётся двигателями, точнее, их соплами. Следовательно, нужно обеспечить мягкую посадку, то есть надо иметь что-то, что обеспечит такую посадку, и сопла не коснутся земли. При этом надо иметь в виду, что в вертикальном положении надо ещё и обеспечить её устойчивое положение, так как баки имеют большую парусность. Ну и, конечно, эту ступень потом нужно будет доставить к месту работы с нею. Второй - отработавшая ступень летит по баллистической кривой и в конце её полёта надо обеспечить то же, что и в первом случае. Третий - он тоже напрашивается как бы сам собою - дать ступени крылья и посадить её по-"самолётному". Не нужно только забывать, что это потребует к баку предъявить требования по запасу прочности практически такие же, как и к фюзеляжу самолёта. А это, как говорится, две большие разницы: для бака этот запас составляет 1,25, для фюзеляжа - 1,5. А потом - как-то нужно вывести её на посадочную площадку, снабдить какими-то посадочными приспособлениями, хотя бы лыжами. Больше проблем, чем выигрыша. Третий вариант предлагает фирма SpaceX в проекте семейства носителей Falcon. Но об этом проекте немного позднее.
А пока поговорим о первой ступени РН вообще. Из чего она состоит и что в ней ценного? Это отсек, в котором размещена двигательная установка, и большой ёмкости баки с горючим и окислителем. Баки имеют большие габариты, но в них размещено очень немного специального оборудования. Это, в основном, датчики уровней компонентов, давления и т.п. Спасение всей ступени - проблема, как видим, довольно сложная. Но вот так ли уж необходимо спасать баки? Совсем нет. По сравнению со стоимостью изготовления двигателей, стоимость баков - это, хотя и не копейки, но и значительно меньшая. Поэтому, не лучше ли спасать только самое ценное - двигатели? Потому как это компактный груз, его и проще затормозить, и проще транспортировать к месту дальнейшей работы с ними.
В Интернете есть, например, и такое предложение: спасать двигатели за счёт смятия баков. То есть ступень соприкасается с землёй баками и энергия удара гасится за счёт их деформации.
А теперь конкретно о Falcon. Falcon - очередной вариант многоразового РКК. Насколько он будет выгоден в эксплуатации, покажет время. Во всяком случае, - это попытка внести новую струю в решение проблемы. Запуск КА Dragen производится двухступенчатой РН. Наиболее экзотичное мероприятие в этом варианте - метод спуска отработавшей первой ступени. Вот это и порождает много вопросов, но к этому мы ещё вернёмся.
В русскоязычном интернете сведений как о семействе ракет Falkon, так и конкретно о возвращаемой Falkon-9VI.I(R), немного. Аналогично и о двигателях Меrlin-1Д, которыми это семейство комплектуется. Даже данные о параметрах двигателя (тяга, удельная тяга и давление в камере сгорания) в разных источниках различны. Возможно, они относятся к различным вариантам двигателя. В интернете есть информация, что при проектировании Merlin-1 за основу взят двигатель посадочного модуля Аполлона. Вряд ли это так. Двигатель лунного модуля работал на самовоспламеняющейся топливной паре (аэрозин и азотный тетраоксид), а Merlin проектировался для работы на жидком кислороде и керосине. Как говорят в Одессе, это две большие разницы.
Как объявляется в рекламе, в проекте двигателя попробовали совместить несовместимое: многоразовость и дешевизну. Двигатель выполнен по простой "открытой " схеме с низким давлением в камере сгорания (это хорошо для удешевления двигателя) и потому с низкой удельной тягой, то есть с низкой экономичностью. А это, как будет показано дальше, удорожает носитель. На первых вариантах двигателя камера сгорания и сопло охлаждались путём абляции. Это удешевляло двигатель, но в дальнейшем пришлось перейти к классическому регенеративному жидкостному охлаждению, более дорогому. Таким образом, при выборе двигателя для семейства было отдано предпочтение двигателям малой тяги и невысокой экономичности. Вполне возможно, что это вовсе и не выбор, а просто отсутствие более подходящих двигателей. Американцы совсем не хуже нашего понимают теорию надёжности: 9 двигателей вместо одного - двух в двигательной установке ступени вовсе не повышают её надёжность. Скорее - наоборот. Надеяться на то, что если вдруг откажет один из большого числа маломощных двигателей и в двигательном отсеке возникнет пожар или в результате взрыва будет повреждено что-то жизненно важное, остальные дотянут ракету до необходимой скорости, очень оптимистично. Тем, кто связан с эксплуатацией ЖРД, хорошо известно, что такого рода отказы в подавляющем большинстве случаев заканчиваются аварией ракеты. Пример - испытания носителя Н-1 и не только.
Не менее оптимистично и то утверждение, что повторные использования ЖРД сделает их дешевле. Опыт эксплуатации Шаттлов говорит, что стоимость ремонтно-восстановительных работ отдельных агрегатов и систем достигала 50% стоимости их производства. Или те же баки. Это довольно хрупкая конструкция. В первых вариантах планировалось опускать их на парашютах в океан. Однозначно можно сказать, что это был бы, как говорят, "дохлый номер". Вряд ли производитель бака взял бы на себя ответственность на его повторное использование. Великоват риск, а "навар" от этого невелик. Либо надо изготавливать баки, как я уже писал, с повышенным запасом прочности, а это повышение "сухого" веса конструкции и, следовательно, снижение веса полезной нагрузки.
Я уже упоминал, что описание РН Falkon в интернете очень краткое. Приходится о некоторых решениях догадываться. Например, понятно, что для ориентации первой ступени перед её торможением для схода с баллистической траектории используется какое-то устройство, типа сопел ориентации. После торможения ступень под воздействием силы тяжести ориентируется двигателями к земле и находится в свободном падении. С помощью навигационного оборудования и складных решетчатых рулей ступень направляется к месту посадки. При этом положение ступени относительно земли такое, что парусность её наибольшая. При падении ступень подвергается воздействию переменного по высотам направлению и скорости ветра. Навигационная система должна парировать эти воздействия. Предположим, что решетчатые рули управляются с помощью гидросистемы открытой схемы (рабочее тело сбрасывается за борт) с гидроаккумулятором. При последнем пуске, как говорит компания, для полного счастья не хватило именно рабочего тела. В интернете примерно оценено, во что выливается многоразовость ракеты Falkon-9. Предполагается, что многоразовость на (15-30)% снижает вес полезной нагрузки.
Но это не всё. Выше уже было сказано, что на ракете применены ЖРД не самой экономичной "открытой" схемы. Утверждалось, что сделано это было для упрощения и удешевления двигателя. Это, возможно, и так. Однако двигатель Merlin-1Д имеет удельную тягу у земли 282 сек. В разных источниках она разная, возьмём наибольшую. Для неспециалистов поясню: удельная тяга - это отношение тяги к секундному весовому расходу топлива, измеряется она в сек. Двигатель РД-191, работающий на таких же компонентах топлива, но выполненный по "закрытой" схеме, имеет удельную тягу у земли 311,5 сек. Три таких двигателя создают такую же тягу, как и 9 Merlin 1D. Разница в удельной тяге 29,5 сек даёт возможность при той же тяге и том же времени работы двигательной установки (178 сек) экономить порядка 20 т топлива; за счёт этого можно увеличить полезную нагрузку. Даже при том, что вес двигательной установки "закрытой" схемы будет на тройку тонн больше.
Так какой же вывод можно сделать из всего сказанного выше? При совках мы не имели даже понятия о рекламе. То, что у нас тогда было, смешно назвать рекламой. Сейчас мы её вкушаем "по полной". Поэтому понятно, что и программа Falcon - Merlin - это не совсем то, что есть на самом деле. Очень интересно читать в Живом Журнале и на различных Форумах в интернете восторженные отзывы и размышления патриотов штатовской космонавтики. Совсем не хочу умалить достижений проектировщиков и производителей ракетно-космической техники США, но и доверять их рекламе не имею оснований, в том числе и по финансовым выкладкам.
В своё время США отказался от одноразовых ракет-носителей и сосредоточился на многоразовых Шаттлах. Путь оказался бесперспективным. Потому и пришлось летать на МКС на российских носителях. Конечно, перспектива для вывода тяжёлых КА на другие планеты и не за носителями-мастодонтами типа Н-1 или Saturn-5 (кстати, удивительно быстро отправленный в музей). Представляется, что путь, по которому пошли и Россия с многовариантной Ангарой, и США с аналогичной Дельтой, наиболее перспективен. Кстати, в плохом иногда бывает и хорошее. Наш двигатель РД-191, применяемый на Ангаре, является "половинкой" двигателя РД-180, который прошёл хорошую "обкатку", типа лётно-конструкторских испытаний, на американской ракете Ариан-5. Если речь идёт о редких пусках сверхтяжёлых носителей, то вряд ли нужно оснащать их многоразовыми прибамбасами, так как они прилично добавляют к их "сухому" весу, когда борьба идёт за максимально возможный вес полезной нагрузки. Можно ли к этим перспективным семействам РН причислить и семейство Falcon? Боюсь, что ответ будет отрицательный. Первая причина - двигатели с низким значением удельной тяги. Вторая - использование на второй ступени того же двигателя, что и на первой. Перспективные носители на второй ступени перешли к водородно-кислородным двигателям, обеспечивающим высокую удельную тягу. Например, у двигателя РД-0120 она равна 353,2 сек на уроне моря и 455 сек - в пустоте. Напомню: у двигателя Мерлин-1Д она равна 282 и 398 сек соответственно.
По грузам, выводимым на орбиты, нам, конечно, сложно с ними тягаться по причине разного географического места расположения наших космодромов. У них - ближе к экватору. Но и то, что заявлено в рекламе, надо ещё подтвердить. Поживём - увидим.
PS Февральский пуск Falcon 9 подтвердил мои предположения о большой зависимости возможности спасения первой ступени от величины силы ветра по высотам. Пуск дважды откладывался именно из-за высокой горизонтальной скорости ветра на высоте.