lozga 11 мая 2014 в 20:04

Мечта о Single Stage To Orbit

8 мин

153K

КосмонавтикаФизикаИгры и игровые консоли

Один из вариантов мечты об облегчении доступа в космос — это Single Stage To Orbit (SSTO). В теории, как обычно, всё красиво — изящные корабли разгоняются по взлетно-посадочной полосе, уходят в небо, разгоняются до космических скоростей, выходят на орбиту, выгружают полезную нагрузку, тормозят, и садятся на эту же взлетно-посадочную полосу. В реальности, опять же как обычно, различные проблемы, такие незаметные на стадии мечтаний и эскизного проектирования, привели к тому, что за всю историю космонавтики такие аппараты ещё не летали. В этом посте я бы хотел поговорить о том, почему так получилось. А ещё мы с вами полетаем на Skylon'e в Орбитере.

Наведем порядок в определениях

Прежде всего, необходимо сказать, что под «желанным SSTO» понимают обычно «SSTO+многоразовость». Или «SSTO+многоразовость+крылья(самолётный взлёт/посадка)+окислитель из окружающего воздуха». Дело в том, что создать одноступенчатую ракету, которая бы выводила небольшой груз на орбиту, сейчас не составит особых сложностей. Даже на рассвете космической эры это было возможно. Первая ступень МБР «Титан-2» могла вывести очень небольшую полезную нагрузку в космос, а МБР «Атлас» конструктивно была «почти-SSTO». Но создание одноразовой одноступенчатой ракеты-носителя не имеет смысла, потому что она будет очень нерациональной. Одноступенчатая ракета имела бы массу 100-150 тонн, и выводила бы в таком варианте не больше тонны. В то же время двухступенчатая ракета с такой же ПН уложится в 50-70 тонн. Таковы интересные особенности формулы Циолковского.
Поэтому различные проекты SSTO практически всегда подразумевали многоразовость. Конструкторы надеялись выгадать на снижении эксплуатационных затрат то, что терялось на неэффективности одной ступени. Достаточно часто аппарат был крылатым, чтобы подъемная сила крыла помогала в полёте. Также достаточно часто на аппарате стояли достаточно необычные двигатели, используя уникальные характеристики которых, конструкторы надеялись спроектировать эффективный и выгодный носитель.

Немного теории

Рассмотрим различные предлагаемые идеи с точки зрения достоинств и недостатков каждого решения.

Многоразовость

Многоразовость сама по себе не является панацеей. Снижение затрат на строительство новых экземпляров носителя необязательно компенсирует затраты на подготовку вернувшегося из полёта носителя к следующему полёту. Один из постов цикла «облегчение доступа в космос» рассказывает грустную историю о программе «Спейс Шаттл», экономическая проработка которой оказалась неверной.

Крылья

Крылья для космического аппарата тоже являются палкой о двух концах. С одной стороны, можно использовать их подъемную силу и производить управляемую посадку на аэродром. С другой стороны, крылья являются мертвым грузом вне атмосферы (а достаточно плотная для опоры атмосфера кончается удручающе быстро), нужно тратить дополнительное топливо на их разгон и торможение вместе с аппаратом, и нужно тратить дополнительную массу на теплоизоляцию крыльев, чтобы они не сгорели при торможении в атмосфере. Кроме этого, крылатый аппарат будет разгоняться по более пологой траектории, нежели вертикально стартующая ракета, что приведет к дополнительным потерям.

Использование кислорода атмосферы

Вполне логичная идея — зачем нам возить с собой окислитель, если мы можем набирать его из атмосферы в процессе полёта? Но реальность снова предъявляет свою цену. Воздушно-реактивные двигатели эффективны каждый в своём диапазоне скоростей, ставить много разных двигателей на один аппарат нерационально. А эпической сложности многорежимный двигатель SR-71 ясно говорит, что на текущем уровне техники это тоже не вариант. Ещё можно воздух охлаждать (в пределе — до жидкого кислорода), но и тут есть свои подводные камни. Холодильная установка предъявляет высокие требования к материалам, является бесполезной в космосе массой, что-то надо делать с азотом из атмосферы, а ещё охлаждение требует энергию, и эту энергию надо в каком-то виде возить с собой.

История

Atlas

Исторически первой и единственной реализованной в металле почти-SSTO стала МБР «Атлас». Она была построена по «полутораступенчатой» схеме, и в процессе полёта сбрасывала хвостовой отсек с двумя боковыми двигателями, продолжая полёт на оставшемся центральном.

В таком варианте РН могла вывести на орбиту примерно 1400 кг при стартовой массе 120 тонн. В дальнейшем на ракету поставили сверху разгонные блоки («Эйбл», «Аджена» ,«Центавр»), увеличив полезную нагрузку, но, конечно же, потеряв право называть её SSTO.

Что любопытно, по такой же схеме был проект на базе «Сатурна-V». Судя по всему, это был такой «даунгрейд» слишком мощного для околоземной орбиты «Сатурна-V». Теоретически ещё можно было бы спасать хвостовую часть, но серьезных проработок этого, похоже, не велось.

Aerospaceplane

Проект, разрабатывавшийся с 1958 по 1963 годы. Его оснащали разными двигателями, от двигателей со сжижением атмосферного кислорода до прямоточных ядерных. Для варианта со сжижением атмосферного кислорода действовала следующая схема: атмосферный воздух поступал в теплообменники, в которых циркулировало топливо — жидкий водород. В них из воздуха извлекался кислород, который затем подавался в буферный бак, из которого шёл в двигатель. В 1960 году даже был создан двигатель-демонстратор с тягой 12 килограмм, который успешно проработал пять минут. Из-за новизны технических решений проект был тихо закрыт в 1964 году.

Альтернативы Шаттла

Начало разработки «Спейс Шаттла» породила несколько альтернативных проектов, среди которых были несколько SSTO.
Chrysler SERV
Источник 1, Источник 2
Очень необычно выглядящий проект многоразового SSTO с вертикальным стартом и посадкой.

Полная масса 2040 тонн, ПН на низкую околоземную орбиту 52,8 тонны

Martin Marietta Langley SSTO
Источник

Полная масса 1925 тонн, ПН на НОО 29,5 тонн. Вызывает недоумение, куда им столько двигателей, причем разных?

Boeing Langley SSTO
Источник

Были в проекте легкий вариант в 1180 тонн и тяжелый в 3438 тонн.

Boeing LEO VTVL SSTO
Источник
Ещё один дивный агрегат с вертикальным взлетом и посадкой. Стартовой и посадочной площадками должны были служить специальные искусственные озёра диаметром пять километров.

В разных вариантах стартовая масса от 5400 до 10300 тонн.

HOTOL

На фоне триумфа гигантомании 70-х, проект HOTOL выглядел практически реализуемым. Космоплан вменяемых размеров строился вокруг уникального двигателя RB545. О двигателе мало что известно, его зачем-то засекретили. Но принцип работы известен, это уже знакомая нам идея использования жидкого водорода для охлаждения атмосферного воздуха с извлечением из него кислорода.
Проект был закрыт в 90-х, когда стало ясно, что заднее расположение двигателя сдвинуло назад центр масс, что требует сместить максимального далеко назад центр давления для обеспечения устойчивости полёта. Говоря коротко, проектирование имело смысл начинать заново, а на это, похоже, уже не было ни денег, ни желания.

«Сивка» Феоктистова

У нас тоже думали про SSTO. Например, инженер и космонавт Феоктистов разработал проект ракеты «Сивка», массой примерно полторы тысячи тонн. Ракета должна была вертикально взлетать и вертикально садиться.

X-30

В этом проекте решили использовать новый тип двигателя — гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный. Тепло, возникающее от трения об атмосферу предполагалось собирать теплоносителем под обшивкой и переправлять в камеру сгорания. Такой подход обещал сделать доступной скорость в 20 М, а это уже недалеко от первой космической. В различных вариантах X-30 разрабатывался как сверхскоростной пассажирский лайнер или носитель космических аппаратов. Полная масса составляла 136 тонн. В качестве топлива предполагалось использовать смесь жидкого и твердого водорода (шугу). В 1993 году проектирование было остановлено из-за сокращения бюджета и технических опасений (например, как будет самостоятельно взлетать аппарат, у которого есть только один двигатель, работающий на гиперзвуковых скоростях?)

DC-X

Прототип (масштабная модель) SSTO аппарата вертикального взлета и посадки. Успешно испытывался в 90-е, как и предыдущие проекты, пал жертвой сокращения финансирования. Есть видео и успешных полётов и аварии при посадке:

VentureStar

90-е годы, вертикальный взлёт, горизонтальная посадка. Прототип, масштабная модель X-33, был остановлен в 2001 году из-за проблем с конструкцией (микротрещины в баках жидкого водорода), проблем с устойчивостью и превышением веса, и, опять же, сокращением финансирования.

Roton

SSTO с использованием вертолётных лопастей. Лопасти, приводимые в действие реактивными двигателями на концах, должны были использоваться как основной двигатель при взлёте, работать компрессором на выведении и тормозить аппарат авторотацией на посадке. Прототип с лопастями, без двигателей и теплозащиты, успешно подлётывал, но компания обанкротилась в 2001 году.

Aquarius

Реализация концепции «большая простая дешевая ракета». Одна ступень, по проекту допустимы до трети аварийных пусков. Стартовая масса 130 тонн, ПН 1 тонна, ракета спроектирована максимально простой и дешевой — один двигатель, вытеснительная подача, разве что использование жидкого водорода несколько выбивается из концепции. Фирма-разработчик подавала заявку на конкурс COTS («Коммерческая система орбитальной транспортировки»), заявка не была отобрана, проект закрыт.

Skylon

Наверное, единственный живой сейчас проект. Разрабатывается в Британии, судя по всему, людьми, имевшими отношение к HOTOL, потому что несет те же принципы — горизонтальный старт и посадка, крылья, двигатель с охлаждением кислорода из воздуха.
Судя по информации с сайта компании, летом 2013 года они получили 60 миллионов фунтов от британского правительства, и подписали контракт с ЕКА на 1 миллион евро на исследование системы орбитальной транспортировки. Части двигателей проходят испытания, полностью двигатель пока не испытан. Соответственно, пока не будет продемонстрирована работа (и подтверждены расчетные характеристики по тяге, расходу топлива и т.п.) о каком-либо будущем проекта говорить рано. К сожалению, знание об истории различных проектов SSTO настраивает на пессимистический лад.

Двигатель с пояснениями. Материал с сайта фирмы.

Orbiter

В виртуальном мире у нас, наоборот, всё замечательно. В частности, есть аддон со Skylon для Orbiter'а. Нам потребуются:

Кстати, энтузиасты из ВК группы Orbiter сделали русификацию программы (без МФД, к сожалению). Если есть желание, вот ссылка.

После установки всего этого добра запускаем сценарий Skylon C2

Нашей задачей будет выход на низкую околоземную орбиту (200х200 км) и управляемая посадка на мыс Канаверал. Предполагается, что вы уже знакомы с Orbiter по моим предыдущим постам.

Переключаемся в вид из кабины, выставляем триммер до упора вверх, и включаем двигатели (кнопка стандартная, Num+). Skylon не сможет сам оторваться от полосы, в её конце надо помочь взлёту, нажав Num 2. Сразу после взлёта разворачиваемся на курс 90 градусов.

Машина держит курс устойчиво, после разворота не требуется специального вмешательства в управление. Триммера достаточно для устойчивого набора высоты. Топлива в режиме воздушно-реактивного двигателя хватит примерно до 27 км высоты и скорости 5 М. Когда топлива останется чуть-чуть, переключаемся по F3 в «второй Skylon» — «Skylon_rocketmode». Включаем маршевый двигатель там.

Можно переключиться обратно в «Skylon C2» и закрыть створки воздухозаборников по Левый Shift — Num 1, но это чисто для красоты. Продолжаем разгон до тех пор, пока высота апоцентра не составит 200 км. Выключаем двигатель.

Ждём точки апоцентра, занимаем положение по вектору орбитальной скорости, даём импульс для поднятия перицентра.

Мы на орбите!
К сожалению, слетать к МКС топлива не хватит, поэтому включаем музыку и начинаем готовиться к посадке.

Видео рекомендую посмотреть на полный экран как-нибудь потом.

К сожалению, для корабля «Skylon_rocketmode» МФД карты безбожно врёт, поэтому нужно переключиться в «Skylon C2». Либо просто знать, что с первого витка нам хватит горизонтального маневра для посадки. Процедура стандартная — на расстоянии в 17 000 км тормозим до тех пор, пока МФД Aerobrake не покажет недолёт 1000-2000 км. Тормозите осторожно, двигатели стали слишком мощные для пустого Skylon.

Двигатели ориентации нормально работают только в «Skylon_rocketmode», поэтому до ~100 км поддерживаем ориентацию ими.

Теперь наша задача — выставить триммер вверх и ходить змейкой, поддерживая скорость снижения примерно 100 м/с, гася скорость и отслеживая, чтобы не сместиться в сторону от космопорта. Виртуальный Skylon очень послушно ведет себя в атмосфере, я практически простил разработчику необходимость переключения между двумя кораблями.

Обратите внимание, какую змейку рисует Aerobrake MFD

Крылья делают посадку по-настоящему управляемой. Необходимо следить за вертикальной скоростью, направлением на точку посадки, высотой и скоростью полёта. Продолжаем ходить змейкой: