Приветствую, вас мои космические друзья. Мне в руки, совершенно случайным образом, попали несколько оригиналов номеров иностранного журнала о космосе. В номере журнала Spaceflight (по-нашенски "Космические полеты"), за январь далекого 1985 года, на глаза попалась статья о необычной космической системе в которой в качестве самолета-разгонщика должен был использоваться модифицированный сверхзвуковой самолет "Конкорд".
SPACECAB II: МАЛЕНЬКИЙ ШАТТЛ
Автор: Дэвид М. Эшфорд
Освоение космоса зависит от снижения стоимости космических запусков. Автор описывает предложение такой концепции, разработанное на основе более ранних публикаций журналов Spaceflight и JBIS.
Введение
В более ранних статьях о космическом туризме был описан новый тип космического аппарата, называемый Spacebus, предназначенный для удовлетворения требований в регулярных пассажирских перевозках для доставки туристов на борт космических отелей и обратно. Spacebus имеет передовую конструкцию, поскольку требует высоких стандартов безопасности, комфорта, надежности и стоимости, приближающихся к показателям современных авиалайнеров. Его разработка, безусловно, принесет пользу многим космическим предприятиям. Была упомянута поэтапная стратегия развития проекта Spacebus, включающая, во-первых, исследовательский самолет с ракетным двигателем и, во-вторых, частично многоразовый малый шаттл под названием Spacecab.
С тех пор проект Spacecab был переработан в полностью многоразовую космическую систему, уменьшенную по сравнению с проектом Spacebus. Новая концепция, получившая название Spacecab II, гораздо привлекательнее и, вероятно, более актуальна для краткосрочных потребностей Европы в космических перевозках.
Описание Spacecab II
Spacecab II — это двухступенчатый космический аппарат примерно такого же размера, как самолет Concorde, и внешне не сильно отличается от некоторых европейских аэрокосмических транспортных самолетов 1960-х годов. Однако он был разработан с целью минимизации затрат на разработку и в полной мере использует достижения, полученные в ходе предыдущих исследований.
Разгонная ступень представляет собой сверхзвуковой самолет среднего размера. Для взлета, и разгона до скорости в 2 Маха, обратного полета и посадки используются четыре турбореактивных двигателя Olympus. Ракетные двигатели второй ступени ракеты Ariane, в количестве двух штук, встроены в заднюю часть фюзеляжа для разгона космического аппарата до скорости в 4 Маха. После разгона орбитальный аппарат должен будет отделится.
Орбитальный аппарат имеет конфигурацию с тупой стреловидностью, 65% конструкции которого занимают баки с жидким водородом. Грузовой отсек расположен за двухместной кабиной и имеет полезный объем равный 6 м³, что сопоставимо с объемом среднего фургона. На орбитальном аппарате установлены шесть двигателей третьей ступени ракеты Ariane - HM7. Орбитальный аппарат частично погружен в разгонную ступень (самолет) для защиты от воздушных нагрузок во время фазы разгона и для уменьшения потерь на сверхзвуковое волновое сопротивление. В результате комбинация ускоритель/орбитальный аппарат так же экологична, как и лайнер Concorde.
В таблице приведены основные данные, полученные на основе расчетов первого порядка.
Применение Spacecab II
Как полностью многоразовый космический аппарат, взлетающий подобно самолету с существующих аэродромов, Spacecab II подходит для пассажирских перевозок в зарождающейся индустрии космического туризма. Однако его небольшие размеры (шесть пассажиров) ограничат его использование только этапом становления этой индустрии. Он также будет служить средством разработки технологий для более крупного и эффективного космического аппарата - Spacebus. Однако наиболее важным его применением на раннем этапе станет использование в качестве универсальной ракеты-носителя, подходящей для доставки небольших (около 750 кг) пилотируемых полезных нагрузок на низкую околоземную орбиту. Существующие или планируемые стартовые площадки плохо подходят для этой цели.
Космический челнок НАСА предназначен для доставки крупных полезных нагрузок на низкую околоземную орбиту, а ракета "Ариан" оптимизирована для доставки больших беспилотных полезных нагрузок на геостационарную орбиту. Планируемый к запуску носитель "Ариан-5" мог бы вывести на низкую околоземную орбиту небольшой пилотируемый шаттл "Гермес", но его вывод сопряжен очень высокими затратами из-за одноразовых элементов ускорителя. Таким образом, полностью многоразовый Spacecab II мог бы стать наиболее эффективным средством для доставки небольших пилотируемых полезных нагрузок на низкую околоземную орбиту. В этом качестве он идеально подходит для доставки в космос:
- спасательных экипажей;
- механиков и запасных частей для ремонта спутников; строительных бригад для монтажа крупных космических конструкций;
- проведения небольших экспериментов;
- механиков для сборки полезных нагрузок на орбите для их дальнейшей транспортировки на геостационарную орбиту;
- военных полезных нагрузок;
- полезных нагрузок для пополнения запасов на космической станции.
Последняя из перечисленных миссий, вероятно, наиболее актуальна для нынешних планов Европы. В сценарии развития космических аппаратов на 1990-е годы вырисовывается строительство крупной американской космической станции, эксплуатация "Спейс шаттла" от американского космического агентства НАСА и его модификаций, преемника носителя "Ариан-4" от Европейского космического агентства (ЕКА) и небольшой европейской космической станции под названием Columbus. В этом контексте небольшой многоразовый шаттл, такой как Spacecab II, был бы бесценен в качестве дополнения к гораздо более крупному шаттлу НАСА для поддержки крупной американской космической станции и европейской станции Columbus. Он идеально подошел бы для доставки небольших вспомогательных грузов и миссий, не требующих большой грузоподъемности "Спейс шаттла" НАСА, таких как замена экипажа, доставка запасных частей, расходных материалов, перевозки VIP-персон и ремонтных бригад, при чрезвычайных ситуациях, для замена модулей и возвращения научных экспериментов или готовых материалов. Для таких небольших полезных нагрузок Spacecab II был бы гораздо дешевле в эксплуатации, чем шаттл НАСА, который по-прежнему использовался бы для запуска космических станций и для миссий снабжения, требующих доставки большой полезной нагрузки. Таким образом, Spacecab II стал бы очень полезным дополнением к существующим или планируемым космическим аппаратам и мог бы стать идеальным европейским вкладом в программу НАСА/ЕКА — на 1990-е годы.
Затраты на разработку
На первый взгляд может показаться, что разработка Spacecab II обойдется в несколько миллиардов фунтов стерлингов, и, действительно, дальнейшие исследования могут подтвердить это. Если это так, то придется рискнуть и Spacecab II может стать крупным европейским проектом, сопоставимым по стоимости и сложности с такими проектами как Ariane или Spacelab. Однако концепция Spacecab II имеет несколько особенностей, которые позволяют предположить возможность создания демонстрационного прототипа, который можно было бы разработать как самолет, а не как пилотируемый космический аппарат, что привело бы к десятикратному снижению затрат до первого орбитального полета.
Это следующие особенности:
Полная многоразовость: Spacecab II полностью многоразовая космическая система и имеет достаточный запас по прочности конструкции, с длительным сроком эксплуатации и низкими затратами на техническое обслуживание. С точки зрения стоимости одного полета преимущества многоразовости говорят сами за себя. Все космические аппараты до настоящего времени включали в себя расходные компоненты ракеты-носителя — основная причина очень высокой стоимости космических перевозок на сегодняшний день. С точки зрения стоимости разработки, многоразовое использование позволяет проводить программу испытательных полетов, аналогичную испытательной программе самолета, в рамках которой изучается работа всех систем. Дозвуковые полеты постепенно переходят к сверхзвуковым, гиперзвуковым и суборбитальным полетам, пока не будет достигнута орбита. Spacecab II, хотя и является пилотируемым космическим аппаратом, он может быть приравнен к самолету. В отличие от этого, предыдущие пилотируемые космические корабли имели расходуемые ступени. В результате чего их очень высокая стоимость полета резко сокращала доступное количество испытательных полетов. Таким образом, космический аппарат выводился на орбиту после очень небольшого количества полетов, что приводило к очень дорогостоящим наземным испытаниям, демонстрации надежности, резервированию и контролю качества для обеспечения безопасности астронавтов.
Существующие двигатели: как на самолете-ускорителе, так и на орбитальном аппарате используют уже существующие двигатели, а именно турбореактивный двигатель Olympus и ракетные двигатели Viking IV и HM7 ракеты Ariane.
Частично погруженный орбитальный аппарат: орбитальный аппарат частично погружен в самолет-ускоритель, это обеспечивает траекторию подъема, при которой воздушные нагрузки на орбитальный аппарат не являются критическим фактором. Это позволяет оптимизировать форму и конструкцию для его повторного входа в атмосферу, и посадки. В результате получается стреловидная тупоконечная конструкция с очень низкой нагрузкой на крыло, что сводит к минимуму нагрев при входе в атмосферу. Кроме того, конструкция может быть спроектирована так, чтобы обеспечить низкую эквивалентную скорость полета, что позволяет использовать более облегченную конструкцию.
Существующие технологии: В Spacecab нет технологий, аппаратных концепций или методов эксплуатации, которые ранее не применялись бы на самолетах или космических аппаратах, за исключением, возможно, конструкции орбитального аппарата, в котором многоячеечные топливные баки образуют конструкцию крыла. Это достаточно простая концепция, которая была предложена для многочисленных проектов, но на самом деле она так и не была реализована.
Принимая во внимание вышеизложенные особенности, нет очевидной причины, по которой стоимость разработки орбитального аппарата Spacecab II и самолета-носителя для первого орбитального полета должна быть намного выше, чем стоимость демонстрационного прототипа усовершенствованного самолета. Текущая стоимость таких прототипов составляет от 50 до 200 миллионов фунтов стерлингов. Если взять верхний предел этого диапазона, то стоимость первого орбитального полета Spacecab II может составить всего 500 миллионов фунтов стерлингов.
Выводы
Была описана многоразовая малая космическая система Spacecab II, которая станет очень полезным дополнением к планируемым космическим транспортным средствам. Ее основным назначением будет материально-техническое обеспечение крупной космической станции НАСА и небольшой космической станции ЕКА. Она также идеально бы подошла для выполнения спасательных работ, ремонта спутников, перевозки строительных бригад для монтажа крупных сооружений в космосе, проведения небольших экспериментов, и военных целей. Космический аппарат также был бы удобен для перевозки пассажиров и, следовательно, мог бы стать следующим шагом на пути к развитию индустрии космического туризма, возможно, с использованием Columbus в качестве космического отеля. При использовании определенных конструктивных особенностей и определенной стратегии развития представляется возможным, что Spacecab может быть разработан как самолет, а не как пилотируемый космический корабль, что приведет к затратам на разработку, которые могла бы покрыть только Великобритания в качестве вклада в программу ЕКА/НАСА на 1990-е годы. Эта возможность кажется достаточно привлекательной, чтобы оправдать дальнейшее исследование.