Искушение воздушного старта
Идея старта космического аппарата с воздушного носителя регулярно предлагается как способ радикального облегчения доступа человечества в космос. Однако, только одна ракета-носитель использует этот принцип. О том, чем выгоден и какие сложности создает воздушный старт, этот пост.
Немного истории
Ракетные самолёты
Воздушный старт весьма успешно использовался в США после войны для исследования полёта на больших скоростях и высотах. Bell X-1, на котором впервые с мире была преодолена скорость звука, стартовал с подвеса на бомбардировщике B-29:
Решение было очень логичным - использование ракетных двигателей означало небольшой запас топлива, которого бы не хватило для полноценного старта с земли. Модель X-1 получила развитие - X-1A пересек границу в два Маха и исследовал поведение летательного аппарата на больших высотах (до 27 км). Модификации X-1B,C,D,E использовались для дальнейших исследований.
Следующим большим шагом вперед стал ракетный самолёт X-15. Он также стартовал с воздушного носителя - бомбардировщика B-52:
Мощный двигатель развивал тягу 250 килоньютонов (71% от тяги двигателя ракеты Redstone), мог достичь скорости в 7000 км/ч и высоты 80 км. Казалось бы, у США есть две дороги в космос - быстрая и "грязная" на капсулах "Mercury", ракетах "Redstone" и "Atlas" и более долгая, но гораздо более красивая на X-15, X-20 и последующих проектах. Однако, "самолётная" программа оказалась в тени космических полётов, и, несмотря на успешно достигнутые цели, не получила такого блестящего развития, как линейка "Mercury" - "Gemini" - "Apollo"
Нил Армстронг. Летал на X-15, но вовремя покинул проект.
Баллистические ракеты
Альтернативным подходом была разработка баллистических ракет воздушного старта. В конце пятидесятых годов, когда баллистические ракеты требовали несколько часов для подготовки к старту, они проигрывали стратегическим бомбардировщикам в гибкости и времени реакции на боевом дежурстве. Бомбардировщики могли часами барражировать у границ страны противника, и, после команды, могли нанести удар в течение десятков минут, или могли также быстро быть отозваны. А баллистические ракеты имели критически важное преимущество невозможности перехвата. Возникла идея совмещения достоинств двух систем - разработки баллистической ракеты для стратегического бомбардировщика. Так родился проект GAM-87 Skybolt:
Первые испытательные пуски начались в 1961 году, первый полностью успешный пуск состоялся 19 декабря 1962 года. Однако, к этому времени на вооружение ВМФ поступали баллистические ракеты для подводных лодок Polaris, которые могли "барражировать" под водой месяцами. ВВС США разрабатывали твердотопливную ракету Minuteman, показатели которой были сравнимы со Skybolt, но ракета стояла в шахте, готовая к пуску, что было гораздо удобнее. Проект был закрыт.
24 октября 1974 года ракета Minuteman III была в качестве эксперимента сброшена из грузового отсека транспортника C-5:
Испытание было успешно, однако военные не видели необходимости в такой системе, и проект был закрыт.
Советская "Спираль"
В СССР заметный проект был один, но крайне интересный:
Система из гиперзвукового самолёта-разгонника и орбитального самолёта должна была стартовать с взлетно-посадочной полосы, набирать высоту до 30 км и скорость до 6М (6700 км/ч). Затем орбитальный самолёт вместе с разгонной ступенью на топливной паре фтор/водород отсоединялся и разгонялся самостоятельно до выхода на орбиту. Проект был начат в 1964 году и официально закрыт в 1969 (хотя орбитальный самолёт "подпольно" испытывался как испытатель технологий будущего "Бурана"). Печальнее всего то (почему - об этом ниже), что самолёт-разгонник не был построен и испытан.
Рекомендую почитать подробнее на сайте Буран.ру.
Современность
В настоящее время существует одна ракета-носитель воздушного старта, два реализованных проекта суборбитальных самолётов воздушного старта и модели для испытания гиперзвуковых двигателей. Рассмотрим их более подробно:
РН Pegasus
Первый пуск - 1990 год, всего 42 пуска, 3 неудачи, 2 частичных успеха (орбита чуть ниже требуемой), 443 кг на низкую орбиту. В качестве воздушного носителя используется модифицированный пассажирский самолёт L-1011. Отделение от носителя производится на высоте 12 километров и скорости не выше 0,95М (1000 км/ч).
SpaceShipOne
Суборбитальный самолёт воздушного старта. Разрабатывался для участия в конкурсе Ansari X-Prize, совершил в 2003-2004 году 17 полётов, из них три последних - суборбитальные космические полёты до высоты примерно 100 км. Несмотря на оптимистические обещания "в следующие 5 лет в космос смогут слетать около 3 000 человек" проект был фактически остановлен после выигрыша X-Prize, и за уже десять лет никакие космические туристы по суборбитальным траекториям не летали.
SpaceShipTwo
Суборбитальный самолёт воздушного старта. Разрабатывается уже десять лет взамен SpaceShipOne. В настоящее время проходит испытательные полёты, максимальная достигнутая высота на февраль 2014 года - 23 км.
X-43, X-51
Беспилотные аппараты для проверки гиперзвуковых двигателей.
X-43 изначально разрабатывался как масштабная модель будущего космоплана X-30. Совершил три полёта. Первый в июне 2001 закончился неудачей из-за ошибок в расчетах, которые привели к потере стабилизации разгонной ступени. Второй, в марте 2004 года, прошёл успешно, была достигнута скорость 6,83М. Третий полёт состоялся в ноябре 2004 года, была на 12 секунд достигнута скорость 9,6М.
X-51 разрабатывался для более медленных (~5М), но более длительных полётов. Совершил четыре полёта - относительно успешный первый в мае 2010 года (200 из запланированных 300 секунд на 5М), два неудачных, и полностью успешный (210 секунд на 5М, сколько и планировалось) в мае 2013 года.
Нереализованные проекты
Также существуют нереализованные проекты: МАКС, HOTOL, Бурлак, Vehra, АКС Туполева-Антонова, "Полёт", Stratolaunch, S3.
Расчеты выгодности воздушного старта
РН Pegasus дает нам очень удобную возможность определить степень выгодности воздушного старта. Дело в том, что РН Minotaur I имеет в качестве третьей и четвертой ступеней вторую и третью ступень "Пегаса", выводит такую же полезную нагрузку, но стартует с земли. Сравнение масс вроде бы заметно в пользу "Пегаса" - ракета воздушного старта весит 23 тонны, а наземного - 36 тонн. Однако, чтобы полноценно сравнить эти ракеты-носители, надо посчитать запас характеристической скорости, которую дают ступени ракет. На материале Encyclopedia Astronautica (данные для Pegasus-XL, данные для Minotaur I) были рассчитаны запасы характеристической скорости ступеней для одинаковой полезной нагрузки:
Документ с расчетами в Google Docs
Результат получился очень любопытный - за счет воздушного старта экономится 12,6 процента характеристической скорости. С одной стороны, это достаточно заметная выгода. С другой стороны, это не так уж много, чтобы вызвать взрывной рост систем воздушного старта.
Обратите внимание на гипотетическое сравнение со "Спиралью". Если бы "Пегас" стоял на самолёте-разгоннике "Спирали", то разделение бы происходило на скорости ~1800 м/с и высоте 30 км, что экономило бы не менее 2000 м/с характеристической скорости. По такому же принципу идёт сравнение с "Минотавром". Обратите внимание, насколько возросла выгода. Отсюда следует вывод, что выгода воздушного старта в наибольшей степени определяется носителем - чем больше скорость и высота разделения, тем выше выгода.
Общие рассуждения о достоинствах и недостатках воздушного старта
Достоинства
Снижение гравитационных потерь. Чем больше начальная скорость, тем меньше начальный угол тангажа ракеты. Гравитационные потери считаются как интеграл от функции угла тангажа, поэтому, чем меньше тангаж к горизонту, тем меньше потери.
Модельный график угла тангажа. Площадь криволинейной трапеции (закрашена красным) - гравитационные потери.
Снижение потерь на аэродинамическое сопротивление. Давление убывает с высотой экспоненциально:
На высоте 12 км, где стартует "Пегас", давление примерно в 5 раз меньше, чем на уровне моря (~200 миллибар). На высоте 30 км - уже в сто раз меньше (~10 миллибар).
Снижение потерь на противодавление. Ракетный двигатель эффективнее работает в вакууме, где нет внешнего давления, препятствующего расширению и отбрасыванию топлива. УИ одного двигателя на поверхности меньше, чем в вакууме, поэтому старт в разряженной атмосфере снизит потери на противодавление.
Воздушно-реактивный двигатель имеет более высокий удельный импульс. Поскольку окислитель берется "бесплатно" из окружающего воздуха, его не нужно везти с собой, что повышает удельный импульс системы за счет самолёта-носителя.
Возможность использования существующей инфраструктуры. Система воздушного старта может использовать существующие аэродромы, не нуждаясь в стартовых сооружениях. Но системы подготовки к старту (монтажно-испытательный комплекс, склады компонентов топлива, здания управления полётом) строить всё равно нужно.
Возможность старта с нужной широты. Если самолёт-носитель имеет значительную дальность, можно стартовать с меньшей широты для увеличения грузоподъемности или сместиться на нужную широту для создания нужного наклонения орбиты.
Недостатки
Очень плохая масштабируемость. Ракета, которая выводит на НОО 443 кг весит комфортные 23 тонны, которые без особых проблем можно прицепить/подвесить/поставить на самолёт. Однако ракеты, которые выводят хотя бы 2 тонны на орбиту, начинают весить уже 100-200 тонн, что близко к пределу грузоподъемности существующих самолётов: Ан-124 поднимает 120 тонн, Ан-225 - 247 тонн, но он в единственном экземпляре, и новые самолёты фактически уже невозможно построить. Boeing 747-8F - 140 т, Lockheed C-5 - 122 т, Airbus A380F - 148 т. Для более тяжелых ракет нужно разрабатывать новые самолёты, которые будут дорогими, сложными и монструозными (как на КДПВ).
Жидкое топливо потребует доработки носителя. Криогенные компоненты будут испаряться за длительное время взлета и набора высоты, поэтому нужно иметь на носителе запас компонентов. Особенно плохо с жидким водородом, он очень активно испаряется, нужно будет везти большой запас.
Проблемы структурной прочности полезной нагрузки и ракеты-носителя. На Западе спутники достаточно часто разрабатываются с требованием выдерживать только осевые перегрузки, и даже горизонтальная сборка (когда спутник лежит "на боку") для них недопустима. Например, на космодроме Куру РН "Союз" вывозят горизонтально без полезной нагрузки, ставят в стартовое сооружение и присоединяют полезную нагрузку уже там. Что же касается самолёта-носителя, то даже взлет создаст комбинированную осевую/боковую перегрузку. Я уж не говорю о том, что в нестабильной атмосфере т.н. "воздушные ямы" могут серьезно встряхивать комплекс. Ракеты-носители тоже не рассчитывались на полёты "на боку" в заправленном состоянии, наверняка, ни одну существующую РН на жидком топливе нельзя просто погрузить в грузовой люк и выбросить в поток для старта. Нужно будет делать новые ракеты, более прочные, - а это лишний вес и и потеря эффективности.
Необходимость разработки мощных гиперзвуковых двигателей. Поскольку эффективный носитель - это быстрый носитель, обычные турбореактивные двигатели плохо подходят. L-1011 даёт только 4% высоты и 3% скорости для "Пегаса". Но новые мощные гиперзвуковые двигатели находятся на грани нынешней науки, таких ещё не делали. Поэтому они будут дорогими и потребуют много времени и денег на разработку.
Заключение
Аэрокосмические системы могут стать очень эффективным средством доставки грузов на орбиту. Но только если эти грузы будут небольшими (наверное, не больше пяти тонн, если предсказывать с учетом достижений прогресса), а носитель - гиперзвуковым. Попытки создать летающих монстров типа сдвоенного Ан-225 с двадцатью четырьмя двигателями или ещё какой-нибудь сверхтяжелый образец победы техники над здравым смыслом - это тупик на нынешнем уровне наших знаний.
Для навигации: серия постов по тегу "Облегчение доступа в космос"