Мрія про Single Stage To Orbit

Один з варіантів мрії про полегшення доступу в космос - це Single Stage To Orbit (SSTO). У теорії, як завжди, все красиво - витончені кораблі розганяються по злітно-посадковій смузі, йдуть в небо, розганяються до космічних швидкостей, виходять на орбіту, вивантажують корисне навантаження, гальмують, і сідають на цю ж злітно-посадкову смугу. В реальності, знову ж як зазвичай, різні проблеми, такі непомітні на стадії мрій і ескізного проектування, призвели до того, що за всю історію космонавтики такі апарати ще не літали. У цьому пості я б хотів поговорити про те, чому так вийшло. А ще ми з вами політаємо на Skylon'e в Орбітері.

Наведемо порядок у визначеннях

Перш за все, необхідно сказати, що під «бажаним SSTO» розуміють зазвичай «SSTO + багаторазовість». Або «SSTO + багаторазовість + крила (літаковий зліт/посадка) + окислювач з навколишнього повітря». Справа в тому, що створити одноступеневу ракету, яка б виводила невеликий вантаж на орбіту, зараз не складе особливих складнощів. Навіть на світанку космічної ери це було можливо. Перший ступінь МБР «Титан-2» міг вивести дуже невелике корисне навантаження в космос, а МБР «Атлас» конструктивно було «майже-SSTO». Але створення одноразової одноступеневої ракети-носія не має сенсу, тому що вона буде дуже нераціональною. Одноступенева ракета мала б масу 100-150 тонн, і виводила б у такому варіанті не більше тонни. Водночас двоступенева ракета з такою ж ПН вкладеться в 50-70 тонн. Такі цікаві особливості формули Ціолковського.

Тому різні проекти SSTO практично завжди мали на увазі багаторазовість. Конструктори сподівалися вигадати на зниженні експлуатаційних витрат те, що втрачалося на неефективності одного ступеня. Досить часто апарат був крилатим, щоб підйомна сила крила допомагала в польоті. Також досить часто на апараті стояли досить незвичайні двигуни, використовуючи унікальні характеристики яких, конструктори сподівалися спроектувати ефективний і вигідний носій.

Трохи теорії

Розгляньмо різні запропоновані ідеї з точки зору переваг і недоліків кожного рішення.

Багаторазовість

Багаторазовість сама по собі не є панацеєю. Зниження витрат на будівництво нових примірників носія необов'язково компенсує витрати на підготовку носія, який повернувся з польоту, до наступного польоту. Один з постів циклу «полегшення доступу в космос» розповідає сумну історію про програму «Спейс Шаттл», економічне опрацювання якої виявилося невірним.

Крила

Крила для космічного апарата теж є палицею про два кінці. З одного боку, можна використовувати їх підйомну силу і проводити керовану посадку на аеродром. З іншого боку, крила є мертвим вантажем поза атмосферою (а досить щільна для опори атмосфера закінчується гнітюче швидко), потрібно витрачати додаткове паливо на їх розгін і гальмування разом з апаратом, і потрібно витрачати додаткову масу на теплоізоляцію крил, щоб вони не згоріли при гальмуванні в атмосфері. Крім цього, крилатий апарат буде розганятися по більш пологій траєкторії, ніж вертикально стартує ракета, що призведе до додаткових втрат.

Використання кисню атмосфери

Цілком логічна ідея - навіщо нам возити з собою окислювач, якщо ми можемо набирати його з атмосфери в процесі польоту? Але реальність знову висуває свою ціну. Повітряно-реактивні двигуни ефективні кожен у своєму діапазоні швидкостей, ставити багато різних двигунів на один апарат нераціонально. А епічної складності багаторежимний двигун SR-71 ясно говорить, що на поточному рівні техніки це теж не варіант. Ще можна повітря охолоджувати (в межі - до рідкого кисню), але і тут є свої підводні камені. Холодильна установка висуває високі вимоги до матеріалів, є марною в космосі масою, щось треба робити з азотом з атмосфери, а ще охолодження вимагає енергію, і цю енергію треба в якомусь вигляді возити з собою.

Історія

Atlas

Історично першою і єдиною реалізованою в металі майже-SSTO стала МБР «Атлас». Вона була побудована за «півтораступеневою» схемою, і в процесі польоту скидала хвостовий відсік з двома бічними двигунами, продовжуючи політ на центральному, що залишився.

У такому варіанті РН могла вивести на орбіту приблизно 1400 кг при стартовій масі 120 тонн. Надалі на ракету поставили зверху розгінні блоки («Ейбл», «Аджена» «, Центавр»), збільшивши корисне навантаження, але, звичайно ж, втративши право називати його SSTO.

Що цікаво, за такою ж схемою був проект на базі «Сатурна-V». Судячи з усього, це був такий «даунгрейд» занадто потужного для навколоземної орбіти «Сатурна-V». Теоретично ще можна було б рятувати хвостову частину, але серйозних опрацювань цього, схоже, не велося.

Aerospaceplane

Проект, що розроблявся з 1958 по 1963 роки. Його оснащували різними двигунами, від двигунів зі зрідженням атмосферного кисню до прямоточних ядерних. Для варіанту зі зрідженням атмосферного кисню діяла наступна схема: атмосферне повітря надходило в теплообмінники, в яких циркулювало паливо - рідкий водень. У них з повітря витягувався кисень, який потім подавався в буферний бак, з якого йшов у двигун. У 1960 році навіть був створений двигун-демонстратор з тягою 12 кілограм, який успішно пропрацював п'ять хвилин. Через новизну технічних рішень проект був тихо закритий в 1964 році.

Альтернативи Шатла

Початок розробки «Спейс Шаттла» породила кілька альтернативних проектів, серед яких були кілька SSTO.

Chrysler SERV

Джерело 1, Джерело 2

Дуже незвично виглядає проект багаторазового SSTO з вертикальним стартом і посадкою.

Повна маса 2040 тонн, ПН на низьку навколоземну орбіту 52,8 тонни

Martin Marietta Langley SSTO

Джерело

Повна маса 1925 тонн, ПН на НОО 29,5 тонн. Викликає подив, куди їм стільки двигунів, причому різних?

Boeing Langley SSTO

Джерело

Були в проекті легкий варіант в 1180 тонн і важкий в 3438 тонн.

Boeing LEO VTVL SSTO

Джерело

Ще один дивний агрегат з вертикальним зльотом і посадкою. Стартовим і посадковим майданчиками повинні були служити спеціальні штучні озера діаметром п'ять кілометрів.

У різних варіантах стартова маса від 5400 до 10300 тонн.

HOTOL

На тлі тріумфу гігантоманії 70-х, проект HOTOL виглядав практично реалізованим. Космоплан осудних розмірів будувався навколо унікального двигуна RB545. Про двигун мало що відомо, його навіщось засекретили. Але принцип роботи відомий, це вже знайома нам ідея використання рідкого водню для охолодження атмосферного повітря з витяганням з нього кисню.

Проект був закритий в 90-х, коли стало ясно, що заднє розташування двигуна зрушило назад центр мас, що вимагає змістити максимального далеко назад центр тиску для забезпечення стійкості польоту. Говорячи коротко, проектування мало сенс починати заново, а на це, схоже, вже не було ні грошей, ні бажання.

«Сивка» Феоктистова

У нас теж думали про SSTO. Наприклад, інженер і космонавт Феоктистов розробив проект ракети «Сивка», масою приблизно півтори тисячі тонн. Ракета повинна була вертикально злітати і вертикально сідати.

X-30

У цьому проекті вирішили використовувати новий тип двигуна - гіперзвуковий прямоточний повітряно-реактивний. Тепло, що виникає від тертя об атмосферу передбачалося збирати теплоносієм під обшивкою і переправляти в камеру згоряння. Такий підхід обіцяв зробити доступною швидкість в 20 М, а це вже недалеко від першої космічної. У різних варіантах X-30 розроблявся як надшвидкісний пасажирський лайнер або носій космічних апаратів. Повна маса становила 136 тонн. Як паливо передбачалося використовувати суміш рідкого і твердого водню (шугу). У 1993 році проектування було зупинено через скорочення бюджету і технічні побоювання (наприклад, як буде самостійно злітати апарат, у якого є тільки один двигун, що працює на гіперзвукових швидкостях?)

DC-X

Прототип (масштабна модель) SSTO апарату вертикального зльоту і посадки. Успішно випробовувався в 90-ті, як і попередні проекти, припав жертвою скорочення фінансування. Є відео та успішних польотів і аварії при посадці:

VentureStar

90-ті роки, вертикальний зліт, горизонтальна посадка. Прототип, масштабна модель X-33, зупинили 2001 року через проблеми з конструкцією (мікротріщини в баках рідкого водню), проблеми зі стійкістю і перевищенням ваги, і, знову ж таки, скороченням фінансування.

Roton

SSTO з використанням вертольотних лопатей. Лопаті, що приводяться в дію реактивними двигунами на кінцях, повинні були використовуватися як основний двигун при зльоті, працювати компресором на виведенні і гальмувати апарат авторотацією на посадці. Прототип з лопатями, без двигунів і теплозахисту, успішно підлетів, але компанія збанкрутувала в 2001 році.

Aquarius

Реалізація концепції «велика проста дешева ракета». Один щабель, за проектом допустимі до третини аварійних пусків. Стартова маса 130 тонн, ПН 1 тонна, ракета спроектована максимально простою і дешевою - один двигун, витіснювальна подача, хіба що використання рідкого водню дещо вибивається з концепції. Фірма-розробник подавала заявку на конкурс COTS («Комерційна система орбітального транспортування»), заявку не відібрали, проект закрили.

Skylon

Напевно, єдиний живий зараз проект. Розробляється в Британії, судячи з усього, людьми, що мали відношення до HOTOL, тому що несе ті ж принципи - горизонтальний старт і посадка, крила, двигун з охолодженням кисню з повітря.

Судячи з інформації з сайту компанії, влітку 2013 року вони отримали 60 мільйонів фунтів від британського уряду, і підписали контракт з ЄКА на 1 мільйон євро на дослідження системи орбітального транспортування. Частини двигунів проходять випробування, повністю двигун поки не випробуваний. Відповідно, поки не буде продемонстрована робота (і підтверджені розрахункові характеристики з тяги, витрати палива тощо) про яке-небудь майбутнє проекту говорити рано. На жаль, знання про історію різних проектів SSTO налаштовує на песимістичний лад.

Двигун з поясненнями. Матеріал з сайту фірми.

Orbiter

У віртуальному світі у нас, навпаки, все чудово. Зокрема, є аддон зі Skylon для Orbiter'a. Нам будуть потрібні:

1. Skylon C1
2. Аддон до аддону - Skylon C2
3. spacecraft3 и multistage2
4. Universal Cargo Deck 4
5. Velcro Rockets

До речі, ентузіасти з ВК групи Orbiter зробили русифікацію програми (без МФД, на жаль). Якщо є бажання, ось посилання.

Після встановлення всього цього добра запускаємо сценарій Skylon C2

Нашим завданням буде вихід на низьку навколоземну орбіту (200х200 км) і керована посадка на мис Канаверал. Передбачається, що ви вже знайомі з Orbiter по моїм попереднім постам.

Перемикаємося у вигляд з кабіни, виставляємо тример до упору вгору, і включаємо двигуни (кнопка стандартна, Num +). Skylon не зможе сам відірватися від смуги, в її кінці треба допомогти злету, натиснувши Num 2. Відразу після зльоту розвертаємося на курс 90 градусів.

Машина тримає курс стійко, після розвороту не потрібно спеціального втручання в управління. Триммера достатньо для стійкого набору висоти. Палива в режимі повітряно-реактивного двигуна вистачить приблизно до 27 км висоти і швидкості 5 м. Коли палива залишиться трохи, перемикаємося по F3 в "другий Skylon" - "Skylon_rocketmode". Вмикаємо маршовий двигун там.

Можна переключитися назад в «Skylon C2» і закрити створки повітрозабірників по Лівий Shift - Num 1, але це чисто для краси. Продовжуємо розгін до тих пір, поки висота апоцентру не складе 200 км. Вимикаємо двигун.

Чекаємо точки апоцентру, займаємо положення по вектору орбітальної швидкості, даємо імпульс для підняття перицентру.

Ми на орбіті!

На жаль, злітати до МКС палива не вистачить, тому вмикаємо музику і починаємо готуватися до посадки.

Відео рекомендую подивитися на повний екран як-небудь потім.

На жаль, для корабля «Skylon_rocketmode» МФД карти безбожно бреше, тому потрібно переключитися в «Skylon C2». Або просто знати, що з першого витка нам вистачить горизонтального маневру для посадки. Процедура стандартна - на відстані 17 000 км гальмуємо до тих пір, поки МФД Aerobrake не покаже недоліт 1000-2000 км. Гальмуйте обережно, двигуни стали занадто потужні для порожнього Skylon.

Двигуни орієнтації нормально працюють тільки в "Skylon_rocketmode", тому до ауд 100 км підтримуємо орієнтацію ними.

Тепер наше завдання - виставити тример вгору і ходити змійкою, підтримуючи швидкість зниження приблизно 100 м/с, гася швидкість і відстежуючи, щоб не зміститися в бік від космопорту. Віртуальний Skylon дуже слухняно поводиться в атмосфері, я практично пробачив розробнику необхідність перемикання між двома кораблями.

Зауважте, яку змійку малює Aerobrake MFD

Крила роблять посадку по-справжньому керованою. Необхідно стежити за вертикальною швидкістю, напрямком на точку посадки, висотою і швидкістю польоту. Продовжуємо ходити змійкою:

Розвертаємось за космодромом

Смуга поперек, але це не страшно. Якщо ви грали в авіасимулятори, то знаєте, що цілитися треба дещо в бік від смуги

Ну ось, смуга майже за курсом

Не забудьте випустити шасі кнопкою G і сідайте.

Є посадка!

Для навігації: пости за тегом «Полегшення доступу в космос», пости за тегом «Orbiter»