О космолетах
Шрифт:
С другой стороны, возвращение ступеней может дать эффект от повторного использования не только всей конструкции, но и отдельных ее частей и оборудования. Кроме того, оно помогло бы отрабатывать новые элементы систем. Отметим еще, что мягкая посадка (с уводом в сторону) ступеней ракет позволила бы избежать ограничений в хозяйственном использовании тех участков земли, иногда довольно больших, куда обычно падают эти ступени.
И, наконец, в результате этого космос перестанет засоряться остающимися в нем и совсем там ненужными ступенями. Сейчас на орбите находится несколько тысяч отработавших ступеней и их частей. Количество их продолжает расти, хотя часть ракет со временем сходит с орбиты. И потом в принципе возможны столкновения с ними
И все же экономические оценки показывают, что оптимальные решения лежат пока еще в стороне от того, чтобы стало целесообразным спасать обычные ракетные ступени.
Где же выход? Ведь проблема повышения экономической эффективности стоит перед космонавтикой весьма остро. Путь здесь единственный — создание специальных ракет-носителей многократного применения.
Среди различных способов мы упомянули такой: крыло и двигатель. Конечно, к крылу и двигателю нужно добавить еще и посадочное шасси. Получается, таким образом… самолет. Но на легкую тонкостенную конструкцию ракетной ступени почти невозможно установить такое количество сложных механизмов и заставить ее летать. Нужно создавать совсем другую конструкцию, не имеющую почти ничего общего с обычной ракетой.
Одним словом, возникла идея космического самолета. Нет, создать крылатую машину, которая, подобно воздушному лайнеру, взлетала бы с космодрома, совершала бы полет в космос и, оставив там спутник или космический корабль, возвращалась бы на Землю, пока невозможно. Главным образом, все из того же соображения — потребного соотношения масс.
Естественно, что одним из первых появился и такой вариант: самолет с воздушно-реактивными двигателями поднимает в воздух и разгоняет до большой скорости вторую ступень с ракетными двигателями, которая так же, как и самолет-разгонщик, способна возвращаться на Землю и использоваться многократно. Такая схема казалась весьма перспективной, однако встал вопрос о создании «прямоточек», работающих до скорости два-три километра в секунду. Дело это пока далекое, но этой же причине не прошел и компромиссный вариант: самолет-разгонщик многократного использования несет на борту одну-две обычные ракетные ступени с полезным грузом.
Затем появилось множество других схем — двух-трехступенчатые носители с самым различным сочетанием двигательных установок и принципов возвращения ступеней на Землю. Большинство из них оказалось или экономически невыгодными, или трудноосуществимыми в ближайшие годы.
В начале 70-х годов в США было принято решение о разработке многократно используемой системы «Спейс Шаттл» («космический челнок»). Выбрана была одна из компромиссных схем: возвращается и повторно используется только верхняя, вторая ступень, причем без топливных баков.
Старт «Шаттла» осуществляется с помощью двух мощных твердотопливных двигателей (диаметр — 3,7 метра) первой ступени, а также жидкостных ракетных двигателей второй ступени, которые питаются топливом (жидкий водород и жидкий кислород) от большого бака второй ступени. Сначала, после выгорания топлива, сбрасываются пороховые двигатели, затем пустой топливный бак. После этого вторая ступень выходит на орбиту.
Что же происходит со сброшенными элементами конструкции? Бак (диаметром 8,5 метра и длиной 47 метров) разрушается и сгорает в плотных слоях атмосферы. Корпуса же пороховых двигателей спускаются на парашютах на воду, в океан, и буксируются к берегу, с тем чтобы после восстановительного ремонта и зарядки топливом использоваться вновь.
Так или иначе, но схема эта — компромисс и в техническом и в экономическом отношении. Посудите сами: максимальный полезный груз «Шаттла» от 14,5 до 29,5 тонны, а масса на старте около 2 тысяч тонн, то есть полезная нагрузка составляет всего 0,8–1,5 процента от полной массы заправленного корабля. В то время как обычная ракета имеет два-четыре
Если же взять эти соотношения без учета массы топлива (понятно, что килограмм топлива и килограмм конструкции — вещи совсем разные), то преимущество в пользу обычной ракеты еще более возрастет — примерно от 10 до 15 процентов. Такова дань возможности использовать повторно хотя бы часть конструкции.
Вторая ступень «Шаттла» представляет собой нечто вроде ракетного самолета. Почему «нечто»? Да потому, что, обладая крылом, эта ступень осуществляет сход с орбиты как обычный космический аппарат и производит посадку без тяги, только за счет подъемной силы стреловидного крыла малого удлинения. Крыло позволяет совершать некоторый маневр как по дальности, так и по курсу и в конечном счете производить посадку на специальную бетонную полосу.
Посадочная скорость ступени при этом намного выше, чем у любого истребителя, — около 350 километров в час.
Полезный груз размещается в большом грузовом отсеке верхней ступени (ее называют иногда не очень точно орбитальным самолетом). Грузом может быть как спутник или дополнительная ракетная ступень, которые нужно оставить на орбите, так и специальные блоки для исследовательской и экспериментальной работы людей. В этом случае верхняя ступень «Шаттла» остается вместе с блоками на орбите на весь срок работы (предположительно до месяца).
Сейчас трудно судить, насколько, эффективной окажется эта система. Во всяком случае, технические и технологические трудности, с которыми столкнулись создатели «Шаттла», оказались выше, чем предполагалось. Разработка проекта велась почти десять лет, первый испытательный полет откладывался в течение полутора лет и состоялся в апреле 1981 года. Одна из трудностей — покрытие корпуса аппарата (а он имеет довольно сложную форму) теплозащитными плитками разных размеров и толщины (в различных местах ступени при прохождении плотных слоев атмосферы на этапе спуска будет различная температура — от нескольких сот до почти 1600 градусов по Цельсию).
Верхняя ступень «Шаттла» в принципе должна выходить на низкую орбиту, и, следовательно, для того, чтобы доставлять спутники на более высокие (круговые или вытянутые) орбиты, включая стационарные, а также на межпланетные траектории, предполагается применять специальные ракетные ступени — «космические буксиры», которые, как уже говорилось, будут доставляться на низкую орбиту также «Шаттлами».
Что и говорить, непросто все это — создать экономичную транспортную космическую систему.
Некоторых специалистов в идее «Шаттла» смущает еще и другое. Согласно экономическим расчетам он оправдывает себя примерно при 40 полетах в год на один образец. Получается, что в год только один «самолет», чтобы оправдать свою постройку, должен выводить на орбиту порядка тысячи тонн разных грузов. С другой стороны, имеет место тенденция к снижению веса космических аппаратов, увеличению продолжительности их активной жизни на орбите и вообще к снижению количества запускаемых аппаратов за счет решения каждым из них комплекса задач. Если говорить об орбитальных станциях и пилотируемых кораблях, то их запускается в год считанные единицы.
Тут, конечно, можно и возразить: тенденция снижения массы запускаемых спутников, если она действительно имеется, может быть временной, появившейся как раз из-за отсутствия экономичных средств выведения. И когда такие средства появятся, в них, очевидно, возникнет необходимость. Задач в космосе и сейчас хоть отбавляй, и космонавтика явно вышла на тот рубеж, когда дальнейшее ее развитие не может успешно идти без принципиального решения экономических проблем. С другой стороны, экономический эффект от средств многократного использования, подсчитанный как чистая экономия по сравнению с применением обычных одноразовых средств, начнет ощущаться по крайней мере через 10 лет, даже при неоптимальном количестве запусков.