Спасти самое дорогое
Многоразовые транспортные космические системы сегодняшнего дня
Тема повторного использования ракетно-космической техники стала актуальной, если не сказать модной, благодаря успехам носителя Falcon 9 компании SpaceX. Но если экономическая целесообразность многократного применения уже слетавшего в космос «железа» – во многом непознанная «вещь в себе», то ее техническая проблематика осязаема.
В чем дело?
Основная техническая проблема в данном случае формулируется так: «как после первого использования вернуть самый дорогой элемент системы с минимальными издержками и в виде, пригодном для повторной эксплуатации». Во-первых, следует назначить этот элемент, во-вторых, определить способ его возвращения.
На сегодня самый дорогой элемент любого ракетно-космического комплекса – наземная инфраструктура (технические и стартовые сооружения). Она строится очень долго и – как правило – обходится, прямо сказать, не дешево. Но она изначально проектируется для многократного использования. Остаются ракеты и аппараты, улетающие в космос.
Современные ракеты-носители, как правило, многоступенчатые. Наиболее дорогой их элемент – первая ступень, самая сложная и трудоемкая как в проектировании, так и в производстве.
Космические аппараты обычно выполняются с учетом отправки в один конец, если речь не идет о пилотируемых кораблях. А если возвращение на Землю обязательно, то можно задуматься и о многократном запуске в будущем.
Главные факторы, осложняющие повторное использование при эксплуатации как ракет, так и кораблей, – высокие тепловые и механические нагрузки, возникающие при полете. Причем обычно при возвращении они в разы выше, чем при старте.
К примеру, максимальные температуры в критических точках типовой ракеты-носителя на этапе выведения редко достигают 600–800℃, а при спуске с орбиты превышают 1600–2000℃. В первом случае для защиты конструкции достаточно выполнить часть деталей локального применения из жаростойких материалов типа титановых сплавов или нанести на них тонкий слой теплозащиты. Во втором придется изготовить элементы из жаропрочных сплавов или покрыть мощной теплозащитой всю поверхность, подвергаемую нагреву.
В зависимости от способа входа в атмосферу можно снизить тепловые потоки либо суммарное количество тепла, подводимого к летательному аппарату. Например, спуск с использованием аэродинамического качества заметно снижает равновесные температуры на поверхности и допускает применение многоразовой керамической теплоизоляции.
Аналогичные рассуждения применимы и к механическим напряжениям, преимущественно от аэродинамических нагрузок, которые при спуске могут быть гораздо выше, чем при выведении. И тут также оптимальный способ возвращения аппарата способен снизить нагрузки, обеспечив благоприятные условия для повторного использования.
Способы входа в атмосферу и посадки аппарата оказывают большое (а часто и решающее) влияние на такие эксплуатационные характеристики комплекса, как затраты на поисково-спасательные операции или межполетное обслуживание. Чем точнее посадка, тем ниже затраты на поиск и эвакуацию.
Чем посадка мягче, тем ниже нагрузки и деформации на самом заключительном этапе спуска – при касании поверхности. А значит, тем меньше трудоемкость и стоимость межполетного ремонта и восстановления конструкции. Между тем последний фактор прямо влияет на экономический потенциал: во многом из-за чрезмерно высоких затрат на ремонт и восстановление оказалась экономически неэффективной многоразовая транспортная космическая система Space Shuttle. По словам Илона Маска, подготовка первого повторного полета космического корабля Dragon потребовала затрат, превышающих стоимость изготовления нового аппарата. И хотя затем эти затраты снизились, они все равно сильно влияли на экономические характеристики корабля.
Несмотря на то, что даже до начала Космической эры рассматривались варианты полностью многоразовых ракетно-космических комплексов, к настоящему времени актуальным осталось спасение и повторное использование первой ступени ракеты и самого космического корабля. Оставим последний в стороне и перейдем к первой.
Как уже говорилось выше, первая ступень – самый крупный, сложный и дорогой элемент носителя (ее доля в стоимости последнего может превышать 70%). Кроме того, она отделяется при сравнительно небольших скоростях, что упрощает задачу спасения.
К настоящему времени проработаны, а иногда и экспериментально испытаны баллистический спуск и вертикальная посадка на парашютах, использование высокого аэродинамического качества (крыла) для возвращения и горизонтальной посадки на аэродром, а также вертикальная ракетодинамическая посадка. Все эти способы положительно оценивались еще на заре космонавтики, но лишь время присвоило им плюсы и минусы.
Под куполами
Парашютные системы предназначены для спасения и приземления аппаратов, снижающихся по баллистической траектории. Они привлекают скромной массой и компактностью, а также освоенностью и надежностью. Их первыми использовали в экспериментах по спасению ракет и первыми ввели на многоразовые изделия – стартовые твердотопливные ускорители SRB корабля Space Shuttle. По опыту, относительная масса парашютов составляет 4–6% спасаемой массы. Основные недостатки – сложность развертывания при тяжелых спасаемых блоках, неуправляемость (либо плохая управляемость) и невозможность посадки с нулевой скоростью.
Отсутствие управляемости ведет к тому, что из-за некомпенсируемого воздействия случайных ветров на разных высотах точность приземления невелика, из-за чего увеличиваются размеры эллипса рассеивания при посадке и растут расходы на подготовку посадочной площадки. Затраты на поисково-спасательные и эвакуационные работы зависят от характера места посадки.
Парашюты тормозят аппарат со сверхзвуковой или высокой дозвуковой скорости до равновесной скорости свободного падения – порядка 7–10 м/с. Вроде бы немного, но удар о твердую поверхность при этом не исключен, а значит, возможно повреждение конструкции. Проблема отчасти решается при посадке на воду, как это происходило с ускорителями шаттла: вода мягче грунта. Но, например, попытки спасения на парашютах жидкостных блоков ракет Falcon 1 и Falcon 9, которые предпринимал Илон Маск, успехом не увенчались – спасатели не нашли даже обломков. Сейчас парашютную систему спасения первых ступеней носителей Electron отрабатывает компания RocketLab. Также с посадкой на воду.
Еще один крупный недостаток парашютов – скорость ввода, которая обычно меньше или равна (для сложной многоступенчатой системы спасения) местной скорости звука. Несколько лет назад инновационная компания «Атмосфера», которую тогда возглавлял ветеран ракетно-космической отрасли В.Н. Чижухин, предложила оригинальный метод спасения ступеней на основе воздушно-космических парашютных систем (ВКПС). Суть сводится к использованию гиперзвуковых парашютов из термостойкой композитной ткани, которые вводятся еще на участке подъема ступени в крайне разреженной атмосфере.
Проектно-баллистические расчеты, выполненные «Атмосферой», показывают, что существует оптимальный диапазон высот и скоростей ввода в работу и функционирования ВКПС: он располагается в мезосфере на высоте 45–85 км, где плотность воздуха на два-пять порядков меньше, чем на уровне моря. Многокупольный многоступенчатый парашют, раскрывающийся «на вылете» – когда нижняя ступень окончила работу, отделилась от верхней и продолжает подниматься по баллистической траектории к апогею, остается в таком положении вплоть до высоты 80 км и выше. При этом ракетный блок тормозится примерно равными частями, как на восходящем, так и нисходящем участках траектории до высоты 50 км.
Миновав пик траектории на высоте 85 км, ступень возвращается; атмосфера становится все более плотной, парашюты вновь интенсивно тормозят. Перегрузка на этом участке продолжительностью примерно 20 секунд не превышают 3,9 единицы, а купола парашютов нагреваются не выше 500°С. Торможение на протяжении большей части полета позволяет снизить динамические нагрузки на конструкцию ступени и резко уменьшить дальность точки ее посадки. Вскоре ступень тормозится настолько, что переходит к вертикальному спуску, а уже на высоте 40–45 км скорость падает до дозвуковой. Дальше все как для обычного купола.
Для обнуления скорости вертикальной парашютной посадки применяются дополнительные меры. Можно использовать ракетные двигатели мягкой посадки (ДМП), как на спускаемом аппарате кораблей «Союз» или «Шэньчжоу». Однако для многоразовых вариантов боковых «Блоков А» сверхтяжелого носителя «Энергия» введение ДМП вкупе с посадочными опорами (жидкостные блоки требуют при приземлении строго определенной ориентации) привело к тому, что совокупная масса парашютно-реактивной системы посадки превысила 22% посадочной массы самого «Блока А»! В результате весовое совершенство жидкостной ступени оказалось хуже, чем у твердотопливного SRB.