Проект Rascal от DARPA — воздушный старт по заявке US Air Force

ВВС США в 2001 году оформили MNS-заявку *(здесь и далее звёздочкой отмечены термины и сокращения, расшифровка, которых приведена в конце статьи) с изложением требований к «Оперативно адаптивной системе космического запуска» (ORS*).



Требованиям MNS включали в себя следующие основные базовые задачи:

— быстрое время отклика миссии (запуска);
— возможность старта( запуска КА*) с любой широты территории США и их союзников;
— доступность (себестоимость вывода 1 кг ПН* на НОО* ) как на основе каждого миссии, так и общая низкая стоимость программы (НИОКР).

В ответ на MNS, а также с учётом предполагаемых коммерческих потребностей рынка космических запусков, было предложено несколько концепций отвечающие этим требованиям.





Наиболее реалистичным оказался проект основанный на принципе «воздушного» старта. Rascal-Responsive Access Small Cargo Affordable Launch.



Воздушный старт (ВС) — способ запуска ракет или самолётов с высоты нескольких километров, куда доставляется запускаемый аппарат. Средством доставки чаще всего служит другой самолёт, но может выступать и воздушный шар или дирижабль.

Основные преимущества ВС:

— Как правило эта система(или часть её) является многоразовой с низкой себестоимостью вывода ПН* на НОО. Это обусловлено тем, что самая сложная технически первая ступень является и самой дорогой;

— Используется то, что на «халяву» дано нам мирозданием, а конкретно атмосферу. Вернее свойства атмосферы при движении или нахождении в ней физических тел: подъемная сила и/или архимедова сила, т.е. те факторы, которые для обычных РН вертикального старта является помехой;

— Система ВС не привязана к стартовому комплексу (СК) или стартовой позиции(СП), грубо говоря к дорогостоящему космодрому со всей инфраструктурой. И соответственно нет привязки к широте пуска (головная боль СССР и теперь уже России).

Фактически могут использоваться любые ВПП, как военные, так и гражданские необходимой категории;



— Логистика (все элементы, в т.ч. и ЛА носитель-аэротранспортабельны), топливные компоненты- обычные топливные компоненты для летательных аппаратов нашего времени;

— Оперативность;

— Дешевизна компонентов системы и налаженное их коммерческое производство;

— Экологический аспект (зоны отчуждения под падающие ступени РН);

и т.д.

Существуют и недостатки:

— Малая масса выводимой ПН и ограничения на габарит КА;

— Практически( из-за массогабаритных ограничений носителя) достижимы лишь НОО или более высокие орбиты, с существенным уменьшением массы ПН;

— Сложности как расчетов, так и исполнения носителя, способного выдерживать около — и гиперзвуковые скорости (нагрев, теплозащита, аэродинамика и т.п.)

— Постоянно возимый балласт (запас топлива для возвращения и посадки первой ступени);

— Прочее

Начатый в марте 2002 года проект RASCAL представляет собой попытку, при поддержке и под эгидой ТТО* DARPA, разработки частично многоразовой системы космических запусков воздушного базирования, способной быстро и регулярно доставлять полезную нагрузку на НОО по очень экономичной цене.

Фаза II — 18-месячный этап разработки программы началась в марте 2003 года с выбором космической ракетной корпорации SLC (г.Ирвин, штат Калифорния), в качестве генерального подрядчика и системного интегратора.





RASCAL опирается на архитектуру Spacelift воздушного базирования (ВКС*), состоящей из многоразового летательного аппарата



И ракету (разгонный блок) одноразового использования (ELV*), который в данном случае называется ERV*.







Турбореактивные двигатели многоразового транспортного средства исполнены в форсированном варианте, известном с 50-х годов -как MIPCC*.

Технология MIPCC прекрасно подходит для достижения высоких чисел Mach при полёте в атмосфере.







После достижения около гиперзвуковых скоростей(или гиперзвуковых с М>5) в горизонтальном полёте носитель делает аэродинамический маневр типа «динамическая горка» (Zoom Maneuver) и производит экзо-атмосферный (с высот более 50 км) пуск одноразовой ракеты(разгонной ступени).





Высокая энерговооружённость ТРДД с технологией MIPCC не только допускает упрощенную двухступенчатую конструкцию ERV, но и значительно снижает структурные требования к ERV, который при таком профиле вывода не испытывает никаких существенных аэродинамических нагрузок.

Последующий повторный запуск по затратам, согласно прогнозам, будет ниже $ 750 000 на доставку 75 кг полезной нагрузки на НОО.







Архитектура RASCAL также поддерживает цикл запусков между миссиями длительностью менее чем 24 часа.

В дальнейшем предполагается использовать и вариант с многоразовой второй ступенью системы.



В 2002 году президент компании Destiny Aerospace г-н Tony Materna, воодушевлённый деньгами и перспективами DARPA, загорелся идеёй использовать для этой системы имеющийся в наличии и списанный американский одноместный, одномоторный сверхзвуковой истребитель-перехватчик с дельтовидным крылом Convair F-106 Delta Dart.





На самом деле на модификации Convair F-106B в 60-х годах уже испытывалась и применялась технология MIPCC.Если я не ошибаюсь на нём она и была разработана.





Очень жаль, что дешёвый и быстро реализуемый проект RASCAL на базе F-106 так и не сдвинулся с мертвой точки после почти двух лет исследований.

Небольшой флот из семи оставшихся летабельных F-106 доступных на базе Davis Monthan AFB AZ сначала был сокращен до 4-х единиц (три F-106 были переданы для музейных экспозиций в Castle CA, Hill AFB, UT & Edwards AFB, CA), а Tony Matern так и не дождался заинтересованности и инвестирования.

→ Read the Final Draft of that proposal below

Примечание. Аналогичный по принципу и со схожими параметрами проект разработани ведётся в России в ОАО «НПО «Молния» по тематике НИР«Молот». Подробности можно прочитать здесь и здесь.

Термины и сокращения помеченные «*»

MNS — Mission Need Statement= Официальное требование (заявка)



→ MNS

ORS — Operationally Responsive Spacelift = система запуска КА с быстрым реагированием



ВС — воздушный старт, ВКС(air-launched spacelift) = воздушно-космический старт.

Rascal — Responsive Access Small Cargo Affordable Launch=Доступная система запуска КА воздушного базирования с быстрым временем реакции.



КА — космический аппарат
LEO(НОО) — низкая околоземная орбита (Low Earth orbit)





ПН — полезная нагрузка

ВПП — взлётно-посадочная полоса

ELV — expendable launch vehicle



→ ERV — Expendable Rocket Vehicle

MIPCC — Mass Injection Pre-Compressor Cooling = Технология представляет собой распыление воды только в передней части лопаток компрессора двигателя J-75, как только самолет приближается к Mach 3.

Это приводит к охлаждению перегретого воздуха на входе двигателя, как бы обманывая двигатель, симулируя его работу на более низком числе Маха.

Впрыск воды также увеличивает плотность потока через двигатель, а также его объем (секундный расход). Результат-ТРД выдает тем больше тяги, чем быстрее двигается ЛА.

Повышение тяги теоретически возможно на 100%, 200% и 300%, в зависимости от количество впрыскиваемой воды.

Этот метод также позволяет ТРД J-75 работать при гораздо более высоких высотах, чем его расчетные проектные показатели.

→ TTO — Tactical Technology Office

Использованы документы, фото и видео:

www.nasa.gov
www.yumpu.com
en.wikipedia.org
www.faa.gov
www.space.com
www.darpa.mil
robotpig.net
www.456fis.org
www.f-106deltadart.com
www.aerosem.caltech.edu