На днях посмотрел видео Сергея Переслегина о Роскосмосе, и подумал, какая инженерная идея может помочь в наших скорбных космических проблемах? В голове роились мысли по поводу космического лифта. Вспомнилась знаменитая статья Юрия Николаевича Арцутанова (1929–2019) давшая жизнь идее орбитального лифта.
По кратким размышлениям идею пришлось отвергнуть, время еще не пришло, материалов для строительства с таким свойствами пока нет, да и строить пришлось бы на экваторе, там у нас и подходящей площадки, то же, пока нет. Но что же осталось? Воздушный старт! Попытки освоить его были у нас и наших конкурентов. Например проект Бёрта Рутана, огромный и красивый двухфюзеляжный Stratolaunch Model 351, аппарат с самым большим размахом крыльев в истории – 117 м, который поднялся в воздух в апреле 2019 года. По расчетам конструкторов, при взлетной массе в 590 т гигант способен принимать на борт около 230 т полезной нагрузки. Проблема в том, что ракеты для Stratolaunch пока что нет и не предвидится. Нам такое пока не под силу, освоить бы существующий задел по гражданской авиации. Да и ракет у нас то же, для воздушного старта, нет.
И главная проблема воздушного старта понятна сразу: ограниченная грузоподъемность самолетов. Т.е. нужны соответствующие им ракеты с не очень большой массой и грузоподъемностью. Но как же быть?
По оценкам компании McKinsey к 2035 году глобальная космическая экономика будет стоить $1,8 триллиона по сравнению с $630 миллиардами в 2023 году. Основой космической экономики являются «магистральные» (backbone) приложения — спутники и ракеты-носители. Но есть целый класс приложений «охвата» (reach), которые используют космос — телевидение, GPS, спутниковая съемка — с помощью которых космические технологии помогают компаниям разных отраслей получать прибыль. Например, Uber полагается на комбинацию спутниковых сигналов и смартфонов для связи водителей и пассажиров и указания маршрутов. Космическая экономика вырастет почти в 3 раза. И отечественный Роскосмос на этом празднике жизни может оказаться в хвосте основных игроков, при всем имеющемся заделе. Давно вычислен рубеж рентабельности космических запусков, снижение удельной
стоимости выведения полезного груза в космос до значений менее
3000 $/кг. Серьезно снизить ее на одноразовых носителях принципиально невозможно. Удельная стоимость транспортных операций с использованием
«Союза» на маршруте «Земля-орбита-Земля» лежит в диапазоне
63000…80000 $/кг. Самый лучшие наши носители имеют стоимость запуска 500000 руб./кг, около 6000$/кг. Какие выгоды сулит старт из атмосферы, в перспективе снижения стоимости?
Если вдумчиво посмотреть на выше приведенную схему. то кажется, очевидной мысль, что наиболее экономичный старт происходит, чем ближе к орбите находится точка старта. Ракета движется в поле тяжести и ее движению оказывает сопротивление тяготение Земли и аэродинамическое сопротивление атмосферы. По сути перенос старта с поверхности как можно выше в атмосферу позволяет уменьшить потери, что равносильно увеличению полезной нагрузки, уменьшению количества ступеней, и уменьшение количества топлива, равносильно снижению стоимости. Что бы не заниматься баллистическими расчетами (кому интересно то есть замечательное руководство 1969 года https://djvu.online/file/tI9ISODcBptDK?ysclid=m5ju80lojp877432579) возьмем готовые результаты известной лунной ракеты США Сатурн-V.
Первая ступень работала около 160 секунд, разгоняла последующие ступени и полезную нагрузку до скорости около 2,7 км/с и отделялась на высоте около 70 километров. На долю этого участка полета пришлось 66% всех потерь. Т.е. физически, параметры 1 ступени, при старте из атмосферы, этой самой мощной и дорогой части ракеты, могли быть скромнее.
Из анализа таблицы видим, что фактически, при воздушном старте не нужна первая ступень, ее место будет занимать вторая ступень, что равносильно снижению стоимости запуска на 25%, соответственно чем точка запуска выше, тем дешевле будет условная вторая ступень. Т.е. если мы будем запускать носитель с высоты в 50 км (высота отделения первой ступени при старте с поверхности Земли), то соответственно параметры второй ступени будут почти соответствовать штатной второй ступени, и стоимость запуска очевидно снизится на 50%, что равносильно увеличению полезной нагрузки в 2 раза. Надо отметить, что высота 50 км для старта весьма значительная, ускорение свободного падения на такой высоте меньше на 2% чем на поверхности.
Глава госкорпорации «Роскосмос» Дмитрий Баканов сообщил, что перспективная двухступенчатая ракета среднего класса «Союз-5» сможет запускать полезную нагрузку по цене 300 тысяч рублей за один килограмм. Соответственно перспектива при воздушном старте 150000 рублей/кг. Осталось понять как реализовать такой старт.
Стартовая масса Союза-5 - 535 т, аэроплан в качестве стартовой площадки отпадает. Остается стратосферный старт с летательного аппарата легче воздуха - стратостата. Есть отечественный патент Ильи Владимировича Саенко RU2630946C2 https://patents.google.com/patent/RU2630946C2/ru стратосферная платформа для запуска объектов в космос.
Надо отметить, что идея старта со стратостата не нова, впервые в отечественной литературе этот метод старта отражен в книге Шибанова А.С. Заботы космического архитектора.
В своем, весьма подробно описанном патенте стратосферной платформы для запуска ракет, И.В. Саенко описал параметры и материалы этой инженерной конструкции связанной с землей, вплоть до стоимости работ в рублях. Подробности и расчеты можно посмотреть по ссылке на патент. Основные параметры платформы: высота запуска - 53 км, объем тороидальной оболочки диаметром 600 метров V = 1776528792 м3, подъемная сила на высоте 53 км - 1154 т, вес оболочки из металлизированного полиэтилена толщиной 3,4 мкр с гелием - 55 тонн, вес поддерживающей системы - 21 тонны, вес конструкций платформы - 164 тонны, полезная подъемная сила -914 тонн. Т.е. вполне достаточно с избытком для нашей новой перспективной ракетной системы Союз-5. Некоторые вопросы вызывает необходимость вертикального старта на такой высоте, т.к. гравитационные потери, это функция угла наклона траектории, то при вертикальном подъеме она максимальна, для снижения потерь старт должен быть под углом, да, выполаживание траектории возможно после вертикального старта, но это совершенно лишние потери скорости и, соответственно, полезной нагрузки.
Старт ракеты под углом не требует тороидальной оболочки, подходит вполне обычная, упрощается несущая конструкция, и конструкция оболочки, что позволит несколько снизить площадь поверхности аэростата и его конструктивную массу.
В нашей стране создан еще один проект воздушного старта с использованием аппарата легче воздуха, проект создан для конкурса Большие вызовы 2024 командой школьников и студентов совместно с АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей».
Стратосферная платформа состоит из двух баллонов с двухслойной оболочкой, скрепленных ферменными конструкциями. По центру расположена пусковая платформа с РН. Общая длина конструкции 990 м, ширина – 220 м. Высота полета платформы 20 км.
Несмотря на тяжелое положение нашей космической индустрии, и количество пусков на уровне Новой Зеландии. Перспективы выйти со своего места есть, понятно, что текущие сложности нашей страны, не дадут быстро и надежно занять ведущее место в ряду космических держав. Интересные перспективные проекты и идеи есть, но должно пройти время для накопления критической массы, что бы количество идей перешло в качество. И, как обычно, в России долго запрягают.