Константин Феоктистов - Траектория жизни. Между вчера и завтра
Более понятной и доступной для ракетчиков является схема одноступенчатой многоразовой ракеты-носителя с вертикальным стартом и с вертикальной посадкой. Судя по всему, исследованиями по такой схеме занимаются и в Соединенных Штатах. Я сам начал заниматься этой схемой (вечерами, в свободное от текущей работы время) в середине семидесятых годов, но только в начале девяностых удалось более или менее связать концы с концами для ракет такого типа (ракеты типа «Сивка») и провести весьма приближенные оценки возможности их создания.
Ракеты «Сивка» должны были бы отличаться следующими особенностями: первая — одновитковая схема полета с возвращением на космодром через полтора часа после старта; вторая — полностью автономный полет; третья — автоматизация процессов подготовки к полету и запуска; четвертая — использование двигателя с так называемым внешним расширением, обеспечивающим идеальную высотную характеристику и водород с кислородом в качестве компонентов топлива; пятая аэродинамическое качество (отношение аэродинамической подъемной силы к силе сопротивления) при возвращении равное приблизительно 0,6–0,7; шестая — угол атаки при возвращении около 30 градусов; седьмая — относительное удлинение (отношение длины ракеты к ее диаметру) около 3.
Стартовые массы ракет такого типа в зависимости от их размеров могли бы быть в пределах от 250 до 16000 тонн. Массы космических аппаратов, выводимых на орбиту ракетами «Сивка», могут составлять 2–4 процента от стартовой массы ракеты.
Внешне «Сивка» должен представлять собой цилиндр с двумя конусами по концам. Верхний конус, в котором помещается космический аппарат, отделяется от ракеты после выхода на орбиту высотой 100–130 километров, и «Сивка», сделав один оборот вокруг Земли, возвращается на космодром, совершая полет в атмосфере нижним конусом вперед. В нижней части ракеты размещается маршевый двигатель и посадочное устройство. Посадочная секция маршевого двигателя обеспечивает гашение скорости ракеты в процессе торможения перед поверхностью Земли.
У маршевого двигателя кольцевая камера сгорания и относительно небольшое кольцевое сопло с диаметром, близким к диаметру ракеты. Дальнейшее расширение кольцевой струи газа после выхода из сопла происходит за счет обтекания внешней кромки кольцевого сопла, в процессе так называемого течения Прандтля-Майера при обтекании острой кромки. Внутри кольцевой струи размещается центральное тело кольцевого двигателя в виде конуса с углом раскрыва около 60 градусов. Внутри конуса размещаются турбонасосные агрегаты, теплообменники, трубопроводы, клапаны и другие элементы двигателя. Такой двигатель имеет то преимущество, что на каждой высоте полета расширение струи газа идет до давления, равного давлению атмосферы на этой высоте, то есть такой двигатель может иметь идеальную высотную характеристику.
Размещение турбонасосных агрегатов и элементов конструкции осуществляется таким образом, чтобы центр масс при возвращении ракеты в атмосферу был достаточно сдвинут к хвостовому конусу и был смещен относительно продольной оси цилиндра, обеспечивая таким образом автоматическую балансировку ракеты при возвращении под углом атаки около 30 градусов. При таком угле атаки аэродинамическое качество аппарата оказывается порядка 0,65–0,7. Такое аэродинамическое качество позволяет при движении в атмосфере управлять дальностью спуска в атмосфере, получить необходимое отклонение в боковом направлении и тем самым обеспечить возвращение ракеты к точке старта и посадку ракеты на специально оборудованной посадочной площадке космодрома. Высота включения посадочной секции маршевого двигателя перед приземлением — от нескольких сот метров до километра, скорость перед началом торможения 100–200 метров в секунду.
С целью снижения массы бак кислорода делается сферическим, а бак водорода цилиндрическим. На участке выведения на орбиту основные отсеки «Сивки» располагаются в следующем порядке: верхний конус (с космическим аппаратом), бак водорода, бак кислорода, нижний конус.
Чтобы ракета могла вернуться к точке старта через один оборот вокруг Земли, она должна в процессе возвращения совершить боковой маневр около 650 километров и для этого иметь аэродинамическое качество около 0,7–0,8, если плоскость орбиты наклонена к плоскости экватора под углом 51 градус, как это имеет место при выведении космических кораблей «Союз» и многих космических аппаратов. Если ракета должна вывести КА на орбиту с меньшим наклонением, то требуемое аэродинамическое качество может быть меньшим, но если наклонение больше, то и требуемое аэродинамическое качество увеличивается. А необходимость выведения космических аппаратов на орбиты с наклонением большим, чем 51 градус, легко просматривается, да и сейчас многие КА выводятся на орбиты с большими наклонениями.
То есть обнаруживается принципиальный недостаток варианта «Сивка» — малое аэродинамическое качество. Кроме того, можно отметить очень напряженную массовую сводку конструкции (при проведении оценок по схеме «Сивка» принимались весьма оптимистичные оценки по массам конструкции ракеты), сложность конструкции баков, посадочного устройства и теплового защитного покрытия.
Ракета-носитель с вертикальным взлетом и с самолетной посадкой может иметь достаточно большое аэродинамическое качество и, следовательно, достаточный маневр в боковом направлении, позволяющий ее использование не только при относительно малых наклонениях орбиты, но и для выведения КА на полярные и гелиосинхронные орбиты. Этот вариант отличается от ракет типа «Сивка» в лучшую сторону и тем, что не нужно иметь на борту топливо для торможения перед приземлением, уменьшается количество топлива на управление в процессе спуска с орбиты, так как по мере снижения начинают работать аэродинамические органы управления. Но зато придется вводить в конструкцию крылья, элероны, стабилизатор, аэродинамический щиток (для регулирования положения центра давления в процессе спуска), гидросистему управления с гидроприводами, тепловую защиту крыльев, шасси, ферму между баками, систему установки и отделения выводимого полезного груза и так далее.
К недостаткам крылатой ракеты относится ограничение стартовой массы величиной порядка 3000–4000 тонн.
Оценки, правда, достаточно приближенные, показывают, что крылатая ракета, стартующая вертикально, могла бы обеспечить выведение массы полезного груза около 2–3 процентов от стартовой массы ракеты.
Наверное, стоит поискать и другие варианты создания одноступенчатых многоразовых ракет-носителей, но если оставаться в пределах, понятных в смысле идей и технологий, более перспективной схемой сегодня мне представляется крылатая ракета с самолетной посадкой.
