W dzisiejszych czasach penetracja w kosmos, deklarowana w rosyjskich i amerykańskich zaawansowanych programach kosmicznych, podobnie jak działania w kosmosie blisko Ziemi, jest jednak nierozerwalnie związana z tworzeniem niezawodnych, ekonomicznych, wielofunkcyjnych systemów transportowych. Ponadto muszą być odpowiednie do rozwiązywania bardzo szerokiego zakresu zadań cywilnych i wojskowych. Najwyraźniej Rosja powinna zwrócić uwagę na stworzenie kosmicznego transportu ciężkiego wielokrotnego użytku.
Dziś rosyjska myśl kosmiczna w końcu przestawiła się na ekspedycje długodystansowe. Mówimy o stopniowej eksploracji Księżyca – programie, który nie został zwrócony od 40 lat. W odległej przyszłości załogowe loty na Marsa. W tym przypadku nie będziemy omawiać wyżej wymienionych programów, ale zauważmy, że nie możemy obejść się bez ciężkich pojazdów nośnych zdolnych do wystrzelenia setek ton ładunku na niską orbitę.
Angara i Jenisej
Aspekt militarny też nigdzie się nie wybiera. Podstawowym elementem amerykańskiego systemu obrony przeciwrakietowej kosmosu, który już praktycznie stał się rzeczywistością, będzie system transportowy zdolny dostarczyć na orbitę ziemską liczne platformy bojowe, satelity obserwacyjne i kontrolne. Powinna również przewidywać zapobieganie i naprawę tych pojazdów bezpośrednio w kosmosie.
Generalnie zaprojektowano system kolosalnego potencjału energetycznego. W końcu tylko jedna platforma bojowa z 60-megawatowym laserem fluorowodorowym waży szacunkowo 800 ton. Jednak skuteczność ukierunkowanej broni energetycznej może być wysoka tylko wtedy, gdy na orbicie rozmieszczonych jest wiele takich platform. Oczywiste jest, że łączny obrót ładunkami kolejnej serii „gwiezdnych wojen” wyniesie dziesiątki tysięcy ton, które trzeba systematycznie dostarczać w przestrzeń kosmiczną. Ale to nie wszystko.
Dziś kosmiczne kompleksy rozpoznawcze odgrywają kluczową rolę w użyciu precyzyjnej broni na Ziemi. Zmusza to zarówno Stany Zjednoczone, jak i Rosję do ciągłego zwiększania i ulepszania swoich zgrupowań orbitalnych. Co więcej, zaawansowany technologicznie charakter statków kosmicznych wymaga jednocześnie zapewnienia ich naprawy orbitalnej.
Wróćmy jednak do tematu księżycowego. Pod koniec stycznia, gdy plany kompleksowych badań Księżyca z perspektywą rozmieszczenia tam zamieszkałej bazy, szef naczelnej krajowej korporacji kosmicznej Energia, Witalij Łopota, mówił o możliwości lotu na Księżyc z punkt widzenia pojazdów nośnych.
Wysyłanie ekspedycji na Księżyc jest niemożliwe bez stworzenia superciężkich rakiet nośnych o ładowności 74-140 ton, podczas gdy najpotężniejsza rosyjska rakieta Proton wyrzuca na orbitę 23 tony. „Aby polecieć na Księżyc i wrócić z powrotem, potrzebujesz startu z dwoma startami - dwie rakiety o nośności 75 ton, lot z jednym startem na Księżyc iz powrotem bez lądowania to 130-140 ton. Jeśli jako bazę weźmiemy 75-tonową rakietę, to praktyczna misja na Księżyc z lądowaniem to plan ośmiu startów. Jeśli rakieta ma nośność mniejszą niż 75 ton, jak sugerują - 25-30 ton, to rozwój nawet Księżyca staje się absurdalny”- powiedział Lopota, przemawiając w Royal Readings na Moskiewskim Uniwersytecie Technicznym Baumana.
Denis Łyskow, sekretarz stanu, zastępca szefa Roskosmosu, mówił w połowie maja o potrzebie posiadania ciężkiego lotniskowca. Powiedział, że obecnie Roskosmos wspólnie z Rosyjską Akademią Nauk przygotowuje program eksploracji kosmosu, który stanie się integralną częścią kolejnego Federalnego Programu Kosmicznego Rosji na lata 2016-2025. „Aby naprawdę mówić o locie na Księżyc, potrzebujemy lotniskowca klasy superciężkiej o ładowności około 80 ton. Teraz ten projekt jest na etapie rozwoju, w niedalekiej przyszłości przygotujemy niezbędne dokumenty, aby przedłożyć je rządowi – podkreślił Łyskow.
Do tej pory największą eksploatowaną rosyjską rakietą jest Proton, z ładunkiem 23 ton na niskiej orbicie i 3,7 tony na orbicie geostacjonarnej. Rosja obecnie rozwija rodzinę pocisków Angara o ładowności od 1,5 do 35 ton. Niestety, stworzenie tej technologii przerodziło się w prawdziwą długoterminową konstrukcję, a pierwsze uruchomienie odkładano na wiele lat, m.in. z powodu nieporozumień z Kazachstanem. Teraz oczekuje się, że „Angara” poleci na początku lata z kosmodromu Plesieck w lekkiej konfiguracji. Według szefa Roskosmosu w planach jest stworzenie ciężkiej wersji Angary, zdolnej wynieść 25-tonowy ładunek na niską orbitę.
Ale takie wskaźniki, jak widzimy, są dalece niewystarczające do realizacji programu lotów międzyplanetarnych i eksploracji kosmosu. Szef Roskosmosu Oleg Ostapenko powiedział podczas Królewskich Odczytów, że rząd przygotowuje propozycję opracowania superciężkiej rakiety zdolnej do wystrzelenia ładunku ważącego ponad 160 ton na niską orbitę. „To prawdziwe wyzwanie. W zakresie i wyższe liczby - powiedział Ostapenko.
Trudno powiedzieć, jak szybko te plany staną się rzeczywistością. Niemniej jednak krajowy przemysł rakietowy ma pewną rezerwę na tworzenie ciężkiego transportu kosmicznego. Pod koniec lat 80. możliwe było stworzenie ciężkiej rakiety nośnej na paliwo ciekłe Energia, zdolnej wynieść na niską orbitę ładunek o masie do 120 ton. Jeśli mówimy o pełnej reanimacji tego programu, to jeszcze nie jest to konieczne, to na pewno są projekty projektów ciężkiego nośnika na bazie Energii.
Główna część Energii może być wykorzystana na nowej rakiecie - z powodzeniem działającej RD-0120 LPRE. W rzeczywistości projekt ciężkiej rakiety wykorzystującej te silniki istnieje w Centrum Kosmicznym Chruniczewa, które jest główną organizacją produkującą nasz jedyny ciężki pojazd nośny, Proton.
Mówimy o systemie transportowym Jenisej-5, którego rozwój rozpoczął się w 2008 roku. Zakłada się, że rakieta o długości 75 metrów będzie wyposażona w pierwszy stopień z trzema tlenowo-wodorowymi LPRE RD-0120, których produkcję uruchomiło w 1976 roku Biuro Projektowe Automatyki Chemicznej Woroneża. Według specjalistów z Centrum Chruniczowa przywrócenie tego programu nie będzie trudne, aw przyszłości możliwe będzie ponowne wykorzystanie tych silników.
Jednak oprócz oczywistych zalet Jenisej ma jedną istotną, szczerze mówiąc, dziś nieuniknioną wadę - wymiary. Faktem jest, że zgodnie z planami główny ładunek przyszłych startów spadnie na kosmodrom Vostochny budowany na Dalekim Wschodzie. W każdym razie ciężkie i superciężkie, obiecujące lotniskowce mają być stamtąd wysyłane w kosmos.
Średnica pierwszego stopnia rakiety Jenisej-5 wynosi 4,1 metra i nie pozwala na transport koleją, przynajmniej bez znacznej wolumetrycznej i bardzo kosztownej modernizacji infrastruktury drogowej. Ze względu na problemy z transportem kiedyś konieczne było nałożenie ograniczeń na średnicę głównych stopni rakiety Rus-M, które pozostały na deskach kreślarskich.
Oprócz Centrum Kosmicznego Chruniczowa, w rozwój ciężkiego lotniskowca zaangażowana była również Energia Rocket and Space Corporation (RSC). W 2007 roku zaproponowali projekt rakiety nośnej wykorzystującej częściowo układ rakiety Energia. Tylko ładunek w nowej rakiecie został umieszczony w górnej części, a nie w bocznym pojemniku, jak w jego poprzedniczce.
Korzyści i wykonalność
Amerykanie oczywiście nie są dla nas dekretem, ale ich ciężki transport, którego rozwój już wszedł na drogę macierzystą, implikuje częściowe ponowne wykorzystanie. Tego lata prywatna firma SpaceX planuje wystrzelić pierwszy start nowej rakiety Falcon Heavy, największej rakiety wystrzelonej od 1973 roku. Czyli od czasów amerykańskiego programu księżycowego z startami gigantycznego lotniskowca Saturn-5, stworzonego przez ojca amerykańskich rakiet nośnych, Wernhera von Brauna. Ale jeśli ta rakieta była przeznaczona wyłącznie do dostarczania ekspedycji na Księżyc i była jednorazowa, to nowa może być już używana do ekspedycji marsjańskich. Ponadto planowany jest powrót do ziemskich etapów podtrzymujących, takich jak rakieta Falcon 9 v1.1 (R - wielokrotnego użytku, wielokrotnego użytku).
Prom kosmiczny znów jest poszukiwany
Pierwszy stopień tej rakiety jest wyposażony w podpory do lądowania służące do stabilizacji rakiety i miękkiego lądowania. Po rozdzieleniu pierwszy stopień zwalnia, włączając na krótko trzy z dziewięciu silników, aby zapewnić wejście do atmosfery z akceptowalną prędkością. Już przy powierzchni włącza się centralny silnik i scena jest gotowa do miękkiego lądowania.
Masa ładunku, jaki może podnieść rakieta Falcon Heavy, wynosi 52 616 kilogramów, czyli około dwa razy więcej niż inne ciężkie rakiety – amerykańska Delta IV Heavy, europejska Ariane i chińska Long March.
Ponowne wykorzystanie jest oczywiście korzystne w przypadku pracy w przestrzeni o wysokiej częstotliwości. Badania wykazały, że wykorzystanie jednorazowych kompleksów jest bardziej opłacalne niż system transportu wielokrotnego użytku w programach o stawce nie większej niż pięć wodowań rocznie, pod warunkiem, że alienacja gruntów pod jesienne pola oddzielające części będzie tymczasowa, a nie stały, z możliwością ewakuacji ludności, inwentarza żywego i sprzętu z obszarów niebezpiecznych…
Zastrzeżenie to wynika z faktu, że koszt nabycia gruntu nigdy nie był uwzględniony w obliczeniach, ponieważ do niedawna straty spowodowane odrzuceniem lub nawet czasową ewakuacją nigdy nie były kompensowane i trudno je wyliczyć. I stanowią znaczną część kosztów operacyjnych systemów rakietowych. Przy skali programu obejmującej ponad 75 uruchomień w ciągu 15 lat systemy wielokrotnego użytku mają przewagę, a ekonomiczny efekt ich użycia rośnie wraz z liczbą.
Ponadto przejście z pojazdów jednorazowych do wodowania ciężkich ładunków na pojazdy wielokrotnego użytku prowadzi do znacznego ograniczenia produkcji sprzętu. Tak więc, gdy dwa alternatywne systemy są używane w jednym programie kosmicznym, wymagana liczba bloków zmniejsza się od czterech do pięciu razy, liczba korpusów bloków centralnych - o 50, silniki płynne dla drugiego etapu - o dziewięć razy. Tak więc oszczędności wynikające ze zmniejszonej wielkości produkcji przy użyciu pojazdu startowego wielokrotnego użytku są w przybliżeniu równe kosztom jego budowy.
Jeszcze w Związku Radzieckim obliczono koszty konserwacji po locie oraz prac naprawczych i restauracyjnych systemów wielokrotnego użytku. Wykorzystaliśmy dostępne dane faktyczne uzyskane przez deweloperów w wyniku testów na stanowisku naziemnym i w locie, a także eksploatacji płatowca statku kosmicznego Buran z powłoką termoizolacyjną, samoloty dalekiego zasięgu, silniki płynowe wielokrotnego użytku typu RD-170 i RD-0120. Zgodnie z wynikami badań, koszty utrzymania i napraw polotowych to mniej niż 30 proc. kosztów produkcji nowych jednostek rakietowych.
Co dziwne, idea ponownego wykorzystania pojawiła się już w latach 20. w Niemczech, zmiażdżonych traktatem wersalskim, który zjednoczył ogarniętą gorączką rakietową europejską społeczność techniczną. W III Rzeszy w latach 1932-1942 pod kierownictwem Eigena Zengera pomyślnie opracowano projekt bombowca rakietowego. Miał on stworzyć samolot, który za pomocą wózka nośnego na szynach rozpędza się do dużych prędkości, a następnie włącza własny silnik rakietowy, wznosi się z atmosfery, skąd rykoszetuje przez gęste warstwy atmosfery i dociera do daleki zasięg. Urządzenie miało startować z Europy Zachodniej i lądować na terytorium Japonii, miało zbombardować terytorium Stanów Zjednoczonych. Ostatnie doniesienia o tym projekcie zostały przerwane w 1944 roku.
W latach 50. w Stanach Zjednoczonych był impulsem do opracowania projektu samolotu kosmicznego poprzedzającego samolot rakietowy Dyna-Sor. W Związku Radzieckim propozycje rozwoju takich systemów były rozważane przez Jakowlewa, Mikojana i Miasiszczewa w 1947 r., ale nie zostały opracowane z powodu szeregu trudności związanych z wdrożeniem technicznym.
Wraz z szybkim rozwojem rakiety na przełomie lat 40. i 50. zniknęła konieczność ukończenia prac nad załogowym bombowcem rakietowym. W przemyśle rakietowym ukształtował się kierunek pocisków manewrujących typu balistycznego, które w oparciu o ogólną koncepcję ich użycia znalazły swoje miejsce w ogólnym systemie obronnym ZSRR.
Ale w Stanach Zjednoczonych prace badawcze nad samolotem rakietowym były wspierane przez wojsko. W tamtym czasie wierzono, że konwencjonalne samoloty lub samoloty pociskowe z silnikami odrzutowymi są najlepszym sposobem dostarczania ładunków na terytorium wroga. Narodziły się projekty programu pocisków szybowcowych Navajo. Bell Aircraft kontynuował badania nad samolotem kosmicznym, aby wykorzystać go nie jako bombowiec, ale jako pojazd rozpoznawczy. W 1960 roku podpisano kontrakt z Boeingiem na opracowanie suborbitalnego samolotu rozpoznawczego Daina-Sor, który miał zostać wystrzelony wraz z rakietą Titan-3.
Jednak ZSRR powrócił do idei samolotów kosmicznych na początku lat 60. i rozpoczął prace w Biurze Projektowym Mikojan nad dwoma projektami pojazdów suborbitalnych jednocześnie. Pierwszy przewidywał samolot startowy, drugi – rakietę Sojuz z samolotem orbitalnym. Dwustopniowy system lotniczy nazwano Spiral lub Project 50/50.
Rakieta orbitalna została wystrzelona z tyłu potężnego samolotu transportowego Tu-95K na dużej wysokości. Samolot rakietowy „Spirala” na silnikach rakietowych na paliwo ciekłe osiągnął orbitę zbliżoną do Ziemi, wykonał tam zaplanowane prace i powrócił na Ziemię, szybując w atmosferze. Funkcje tego kompaktowego statku kosmicznego latającego samolotu były znacznie szersze niż tylko praca na orbicie. Pełnowymiarowy model samolotu rakietowego wykonał kilka lotów w atmosferze.
Radziecki projekt przewidywał stworzenie aparatu ważącego ponad 10 ton ze składanymi konsolami skrzydłowymi. Eksperymentalna wersja urządzenia w 1965 roku była gotowa do pierwszego lotu jako analog poddźwiękowy. Aby rozwiązać problemy wpływu termicznego na konstrukcję w locie i sterowności pojazdu przy prędkościach poddźwiękowych i naddźwiękowych, zbudowano modele latające, które nazwano „Bor”. Ich testy przeprowadzono w latach 1969-1973. Dogłębne badanie uzyskanych wyników doprowadziło do konieczności stworzenia dwóch modeli: „Bor-4” i „Bor-5”. Jednak przyspieszone tempo prac nad programem promu kosmicznego, a co najważniejsze niepodważalne sukcesy Amerykanów w tej dziedzinie, wymagały korekty sowieckich planów.
Ogólnie rzecz biorąc, technologia lotnicza wielokrotnego użytku dla krajowych deweloperów nie jest niczym nowym i nieznanym. Biorąc pod uwagę przyspieszenie programów budowy systemów satelitarnych, łączności międzyplanetarnej i eksploracji kosmosu, możemy śmiało mówić o potrzebie tworzenia precyzyjnych pojazdów nośnych wielokrotnego użytku, w tym ciężkich pojazdów nośnych.
Ogólnie plany opracowania rosyjskiego ciężkiego pocisku rakietowego są dość optymistyczne. W połowie maja Oleg Ostapenko wyjaśnił, że Federalny Program Kosmiczny na lata 2016–2025 nadal przewiduje zaprojektowanie superciężkiego pojazdu nośnego o ładowności 70–80 ton. „FKP nie została jeszcze zatwierdzona, jest formowana. Opublikujemy go w najbliższej przyszłości”- podkreśla szef Roscosmosu.
