Аэрокосмические системы для космического туризма и запуска спутников
2021 год был богат на яркие космические события. 12 апреля исполнилось 60 лет первому полету человека в космос. Летом были совершены первые туристические полеты на частных космических кораблях по суборбитальным траекториям. В сентябре состоялся первый полет по околоземной орбите корабля с четырьмя непрофессиональными астронавтами-туристами на борту. А в октябре на Международной космической станции прошли первые в истории съемки фильма с участием профессиональной актрисы и режиссера. Некоторые предприятия ОАК также участвуют в реализации космических программ и разрабатывают свои проекты для космического туризма.
Одно из таких предприятий, имеющее, пожалуй, наибольший космический опыт – Экспериментальный машиностроительный завод (ЭМЗ) им. В. М. Мясищева. Ключевым направлением конструкторской школы ЭМЗ им. В. М. Мясищева является внедрение авиационных принципов в процессы вывода и посадки космических аппаратов. Наиболее известен вклад этого предприятия в проект создания первого отечественного космического корабля многоразового использования «Буран». Однако в той программе авиационные принципы использовались только частично. Продолжая работу в этом направлении, на ЭМЗ им. В. М. Мясищева были разработаны несколько проектов перспективных авиационно-космических систем (АКС), базирующихся на применении «воздушного старта». При этом в качестве стартовых платформ для запуска космических аппаратов различного назначения рассматривались самолеты М-55 и 3М-Т, созданные также на ЭМЗ им. В. М. Мясищева.
АКС-55 для космического туризма
Одним из важных аспектов коммерческого освоения околоземного пространства является зарождающийся в настоящее время космический туризм.
По мере развития авиационно-космических технологий и укрепления международного сотрудничества в этой области волнующая перспектива побывать в космосе перестает быть уделом избранных профессионалов: летчиков-космонавтов и инженеров-исследователей, потративших лучшую часть своей жизни на реализацию этой возможности. Полет в космос становится всего лишь экстремальным видом туризма и общедоступным товаром, как бы обыденно это не звучало. Видимо, этот процесс уже необратим, так как он отвечает извечному стремлению человека к познанию.
Здоровые, удачливые и сравнительно молодые предприниматели, многие из которых имеют авиационное или спортивное прошлое, становятся организаторами и проповедниками модного и захватывающего «отдыха». Их активность и настойчивость опираются на искреннее желание тысяч обеспеченных энтузиастов рискнуть своей головой в обмен на свежие впечатления.
Коммерциализация космоса начала свое победное шествие с запусков спутников, затем последовало создание космоплана Х-34 для коммерческих грузов и полет на орбиту Земли первого космического туриста Денниса Тито по билету в $ 20 млн. Американская ассоциация Х-Prize в 1996 году объявила конкурс и учредила одноименный приз ($ 10 млн) создателям первого в мире суборбитального многоразового космического аппарата, построенного на частные деньги. По условиям конкурса аппарат должен поднять на высоту около 100 км экипаж из трех человек. При непродолжительном времени пребывания в невесомости такой полет только условно можно назвать космическим, однако и он дает подробное представление обо всех «прелестях» космоса. В конкурсе приняли участие государственные и частные фирмы из многих стран мира. Так как до сих пор никому не удалось выполнить условия конкурса, можно сказать, что создание подобного аппарата является достаточно сложной проблемой.
О своем желании участвовать в конкурсе Х-Prize заявила и российская компания «Суборбитальная корпорация», занимающаяся совместно с известной американской фирмой Space Adventure реализацией коммерческих проектов в авиационно-космической индустрии.
В сентябре 2000 года специалистами Space Adventurers были разработаны технические требования к суборбитальному космическому аппарату многоразового использования C-XXI (двадцать первый век).
Осенью следующего года «Суборбитальная корпорация» (оператор проекта) заключила контракт с ЭМЗ им. В. М. Мясищева на разработку предварительного проекта и постройку полномасштабного макета космического модуля (КМ) C-XXI.
Основные технические требования сводились к следующему:
· профиль полета КМ должен обеспечивать минимальную высоту 101 км;
· суммарная перегрузка не должна превосходить 4,5 единицы;
· пассажировместимость КМ – не менее двух человек плюс экипаж из одного пилота;
· для пассажиров должны быть предусмотрены обзорные окна и возможность наблюдения за основными параметрами полета на мониторе;
· КМ должен совершать не менее одного полета в неделю.
В документе не содержалось требований к способу выведения КМ в космос. Эту проблему надо было решать самим разработчикам, рассуждения которых свелись к следующим положениям.
Для коммерческой реализации идеи космического туризма необходимо обеспечить достижение высокого уровня технико-экономической эффективности разрабатываемых транспортных средств.
Это, прежде всего, требует резкого снижения энергозатрат для вывода космического модуля с туристами в околоземное пространство.
Поэтому на первом этапе развития космического туризма более целесообразна, в том числе и с точки зрения безопасности, организация кратковременных суборбитальных полетов, дающих полное ощущение реального космического пространства.
Снижению стоимости космических путешествий также способствует применение воздушного старта с существующих самолетов-носителей.
По сравнению с наземным вертикальным стартом при этом достигаются следующие основные преимущества:
· энергетическое обеспечение начальных условий старта (скорость 150-200 м/с, высота 7-18 км);
· снижение гравитационных потерь на 40-50 % за счет аэродинамического выведения КМ;
· уменьшение потребной размерности силовой установки КМ из-за разреженности атмосферы на высоте старта КМ.
Большими потенциальными возможностями обладает и многоцелевой высотный самолет М-55 «Геофизика», созданный на ЭМЗ им. В. М. Мясищева (первый полет был выполнен в 1988 году). Высокие аэродинамические, летно-технические характеристики и технические резервы, заложенные в конструкцию, позволили за короткое время разработать на базе исходного самолета специализированную модификацию – самолет-носитель М-55Х для воздушного старта КМ с туристами. Эти соображения дали основание предложить авиационно-космическую систему многоразового использования для космического туризма в составе пилотируемого космического модуля с двумя пассажирами и высотного самолета-носителя М-55.
В качестве разгонной двигательной установки был выбран ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ), как более дешевый и простой в эксплуатации по сравнению с жидкостным ракетным двигателем. В настоящее время для РДТТ используются, в основном, смесевые топлива, имеющие в качестве окислителя соли минеральных кислот, а в качестве горючего – металлические порошки и полимерные вещества типа каучуков. Удельный импульс таких видов топлива достигает величины до 290 с. Для управления траекторией полета двигатель имеет поворотное сопло.
Большое внимание было уделено средствам аварийного спасения и обеспечения безопасности экипажа. Безопасность пассажиров и экипажа АКС на начальных этапах полета обеспечивается применением катапультных кресел и автоматики управления катапультированием. Применение катапультных кресел потребует решения следующих взаимосвязанных задач:
· обеспечение безопасного образования аварийных выходов в корпусе КМ;
· обеспечение безопасных траекторий катапультных кресел относительно земли, относительно друг друга и относительно АКС;
· обеспечение минимального времени на аварийное покидание;
· обеспечение эффективного управления аварийным покиданием.
На самолете М-55 применено катапультное кресло К-36Л, которое обеспечивает безопасную траекторию движения. На модуле целесообразно применить более легкое катапультное кресло типа К-93. Применение катапультных кресел типа К-93 или К-36-3,5 позволяет обеспечить спасение экипажа КМ на всех этапах совместного полета. Для исключения возможного столкновения после катапультирования на АКС применена централизованная система катапультирования, обеспечивающая покидание в определенной последовательности по команде летчика. При этом первыми катапультируются пассажиры, затем летчик КМ, последним катапультируется летчик самолета-носителя.
В качестве возможного варианта обеспечения безопасности экипажа на участке полета за верхними пределами применимости катапультных кресел может рассматриваться отделение КМ от основных источников опасности (тот же РДТТ) с обеспечением стабилизируемого спуска с приемлемыми перегрузками и тепловыми потоками до высот, на которых возможно катапультирование. Отделяемая часть может представлять собой КМ без отсека ДУ или кабину со стабилизирующими устройствами, твердотопливным двигателем разделения и системой управления спуском.
Посадочная траектория КМ представляет собой крутую глиссаду. Предварительное выравнивание начинается на высоте 500 м и заканчивается на 20 м.
Результаты расчетов минимальных высот безопасного покидания на катапультном кресле К-36М, выполненных в рамках программы «Буран», показывают, что в случае отказа в системе управления на высоте менее 500 м, на принятие решения о катапультировании остается не более 3 с. В этих условиях необходимо получение от системы управления команды на автоматическое катапультирование.
В феврале 2002 года работы по проекту C-XXI были закончены, и 14 марта на предприятии была проведена презентация первого в мире макета КМ для космического туризма при большом стечении специалистов и представителей СМИ из многих стран мира. Как сообщил президент «Суборбитальной корпорации» Сергей Костенко, в основе проекта лежит сочетание потребностей рынка и уникальных технологий, которыми располагают российские специалисты.
По его словам, исследования рынка космического туризма показали, что количество желающих побывать в космосе измеряется «не сотнями и даже не тысячами человек». Как сообщил Эрик Андерсон, президент компании Space Adventurer, уже продано более 100 билетов на суборбитальные полеты в космос на аппарате C-XXI. Каждый желающий может совершить космическое путешествие, заплатив за билет $ 100-200 тыс. Это существенно меньше по сравнению с суммой, которую выложил первый космический турист Деннис Тито за полет на станцию «Мир».
АКС-55 для вывода малогабаритных спутников
Перспективным вариантом использования высотного самолета-носителя М-55 представляется создание на его базе специализированной АКС для воздушного запуска малогабаритных космических аппаратов на орбиты Земли. При этом используется существующая малогабаритная двухступенчатая ракета-носитель (РН) типа «Старт-1» разработки Московского института теплотехники. Такая АКС обеспечит выведение спутников связи, дистанционного зондирования Земли и мониторинга окружающей среды на низкие околоземные орбиты в широком диапазоне высот и наклонений, а также оперативное восполнение орбитальных космических группировок.
Предлагаемая концепция мобильной АКС на базе самолета-носителя М-55 «Геофизика» (первая ступень) сформирована с учетом следующих технических требований:
· стартовая масса АКС – 27,5 т;
· стартовая масса РН – 7 т;
· орбита выведения – круговая высотой 200 км;
· начальные условия старта РН: скорость – до 200 м/с; высота – около 17 км.
Второй ступенью АКС является ракета-носитель – основной энергетический элемент системы. Начальные условия старта РН:
· скорость – 195 м/с;
· высота – 17 км;
· угол наклона траектории – 0 градусов;
· азимут запуска – 0 градусов;
· высота орбиты выведения – 200 км.
Для реализации суборбитальной траектории предназначен ускоритель доразгона на базе РДТТ. В качестве разгонных ступеней ДУ I и ДУ II используются двигательные установки (ДУ) третьей и четвертой ступеней РН «Старт-1». Проведенные совместно с разработчиками РН и двигательных установок (ИЦ им. М. В. Келдыша, Московский институт теплотехники, КБ «Арсенал», ЦИАМ) исследования показали принципиальную возможность создания перспективной авиационно-космической системы воздушного старта АКС-55 для выведения малых спутников на орбиты Земли.
Авиационно-космическая система АКС-3МТ для запуска космических аппаратов
Целью создания авиационно-космической системы АКС-3МТ является запуск космических аппаратов (КА) с помощью существующих самолета-носителя 3М-Т и РН «Старт-1».
Осуществление воздушного старта РН «Старт-1» КА с самолета-носителя 3М-Т позволит решить проблему зон падения отделяемых частей и обеспечит возможность запуска с экватора, что существенно повысит ее энергетические возможности.
При этом обеспечивается выведение КА: массой до 1300 кг – на круговую орбиту высотой 200 км; массой до 124 кг – на параболическую орбиту.
Назначение РН:
· выведение КА на высокие околоземные орбиты и в дальний космос;
· выведение КА связи, дистанционного зондирования Земли и мониторинга окружающей среды на околоземные орбиты, в том числе гелиосинхронные;
· оперативное восполнение орбитальных космических группировок.
РН «Старт-1» может размещаться в транспортно-пусковом контейнере (ТПК), который дорабатывается для обеспечения транспортировки и воздушного запуска с самолета-носителя 3М-Т.
Стартовые операции начинаются после ввода полетного задания с момента выруливания самолета с РН на старт. После старта и отхода нижнего торца ракеты на безопасное удаление система управления выдает команду на запуск ДУ I первой ступени.
Каждая разгонная ступень работает в течение примерно одной минуты. После окончания работы ДУ I первой ступени ракета в течение 10-20 сек летит с неработающими ДУ на участке так называемой баллистической «паузы». После окончания заданного времени «паузы» отделяется отработавшая ДУ и запускается двигатель II ступени.
Дальнейшие разделения ступеней и запуск ДУ последующих ступеней осуществляются по командам СУ сразу после окончания работы ДУ предыдущей ступени. Соединительные отсеки ракеты-носителя сбрасываются одновременно с разделением соответствующих ступеней.
Для обеспечения выведения КА на орбиту заданной высоты после отделения отработавшей ДУ предпоследней разгонной ступени ракета продолжает полет с неработающими двигательными установками. На этой второй (основной) баллистической «паузе» продолжительностью в несколько сотен секунд стабилизация ракеты осуществляется газореактивной системой ориентации. Эта система включается непосредственно после отделения отработавшей ДУ предпоследней разгонной ступени.
На участке основной «паузы» производится отделение обтекателя РН. В конце работы ДУ последней разгонной ступени РН выходит на орбиту, близкую к заданной. По достижении высоты траектории, близкой к заданной орбите, система управления выдает команду на включение ДУ последней разгонной ступени. К моменту отделения КА от РН с требуемой точностью обеспечивается заданная ориентации продольной оси КА.
Проведенные исследования показали принципиальную возможность воздушного старта РН «Старт-1» с самолета-носителя 3М-Т.
При этом обеспечивается выведение КА:
· массой 1300 кг на круговую орбиту высотой 200 км;
· массой 124 кг – на параболическую орбиту.
Так же обеспечивается: выведение на низкие околоземные орбиты малогабаритных космических аппаратов связи, дистанционного зондирования Земли, мониторинга окружающей среды, сейсморазведки и предупреждения техногенных катастроф в широком диапазоне высот и наклонений орбиты вплоть до гелиосинхронных и оперативное восполнение орбитальных космических группировок.
Текст: Александр Архипов, главный конструктор ЭМЗ им. В. М. Мясищева
