В новейшей истории развития авиации, космонавтики, а также систем  ПВО,  ПРО  и  ВКО  так  уж сложилось, что создатели  сложнейших  отечественных  ракетно-космических систем  (по известным  причинам ) крайне  редко  общались  друг  с другом... Чаще всего это  происходило в  Кремле  на торжественных церемониях присуждения  им  высоких правительственных наград. Площадок  для общения,  дружеского совета или  критической  реплики  не было. Наш Портал по согласованию с уважаемыми авторами – академиками Российской академии космонавтики им. К.Э Циолковского  Борисом  Владимировичем  Бальмонтом,  Анатолием  Степановичем  Карповым   и  Робертом Константиновичем  Ивановым  предлагает ознакомиться и в случае заинтересованности обсудить их статью, опубликованную в  №№ 8 и 9 за 2011 г.  Общероссийского научно-технического журнала «Полет». Свои соображения можно высказать здесь, либо напрямую на электронный адрес Аэрокосмической корпорации «Воздушный старт» - airlaunch@airlaunch.ru
От редакции eurasian-defence.ru, В.Т.Джунковский

Рассматривается альтернативный путь развития отечественных средств выведения в космос автоматических аппаратов и пилотируемых кораблей, предусматривающий объединение достигнутых в нашей стране авиационных и ракетных технологий.

По мнению авторов, с созданием нового отечественного космодрома Восточный актуальным становится создание средств выведения нового поколения с улучшенными характеристиками по грузоподъемности, с расширенными возможностями по параметрам реализуемых орбит, включая полярные, солнечно- синхронные, экваториальные орбиты; по безопасности трасс выведения и районов падения отделяемых на активном участке элементов конструкции; с меньшими экономическими затратами на единицу массы выводимого в космос полезного груза.

Авторы приглашают заинтересованных читателей к дискуссии по затронутым в статье вопросам.

БАЛЬМОНТ Борис Владимирович — член Консультационного совета при руководстве РКА, председатель Межведомственного совета по проекту "Энергия"—"Буран" в 1975-1981 гг., Герой Социалистического Труда, академик Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского

КАРПОВ Анатолий Степанович — генеральный директор Аэрокосмической корпорации "Воздушный старт", академик Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского

ИВАНОВ Роберт Константинович — главный конструктор проекта "Воздушный старт" в 1999-2011 гг., академик Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского
 

Средства выведения с наземным стартом

Космос уже более полувека является стремительно развивающейся сферой деятельности многих стран мира, в некоторых из них сформировались отдельные космические отрасли экономики. Космические аппараты совершили переворот в области телекоммуникаций, навигации, дистанционного зондирования Земли, метеорологии, научного исследования ближнего и дальнего космоса, обеспечили выход человека в околоземное космическое пространство, а также позволили осуществить полет человека на Луну.

Уже сегодня в передовых космических странах разрабатываются космические корабли для пилотируемых полетов на Марс, к астероидам, обсуждается возможность пилотируемых полетов к другим планетам Солнечной системы и их спутникам, ведутся исследования по космическим электростанциям для передачи на Землю практически неисчерпаемой энергии Солнца. Решение этих задач стало возможным благодаря достижениям в области создания средств доставки космических аппаратов в космос и средств управления космическими полетами в первую очередь в нашей стране, а затем и в других странах мира.

Для доставки различных космических аппаратов и грузов в космос начиная с запуска в СССР в 1957 г. первого искусственного спутника Земли используются ракеты-носители, которые исходя из соображений оптимальности по энергомассовым и экономическим характеристикам имеют несколько ступеней. В зависимости от энергетических характеристик используемого ракетного топлива ракеты-носители могут иметь две-три ступени, а их масса при старте с Земли превосходит в 20... 100 и более раз массу спутников, выводимых на низкие орбиты. Поэтому доставка в космос грузов является дорогостоящей операцией и для существующих в настоящее время ракет-носителей характеризуется удельной стоимостью выведения около 5...50 тыс. дол. США за один килограмм массы выводимого груза. При этом чем меньше ракета-носитель, тем больше удельная стоимость выведения.

Из-за значительной стартовой массы ракет-носителей их пусковые установки, как правило, являются стационарными, располагаются на космодромах в фиксированных точках Земли, что ограничивает диапазон реализуемых наклонений орбит, а часто также ограничивает выбор трасс полета и зон падения отделяемых элементов ракет-носителей (ступеней, головного обтекателя, элементов конструкции), особенно для космодромов, расположенных внутри материка, когда трассы полета ракет-носителей проходят над населенными территориями или территориями других государств.

Такими особенностями, например, обладают российский космодром Плесецк, космодром Байконур в Казахстане, индийский космодром Шрихарикота, американский космодром Ван- денберг, некоторые космодромы Китая. По этим причинам отдельные страны, обладающие космическими технологиями, не имеют космодромов на своих территориях. Так, например, все европейские страны, Израиль, Украина, Беларусь вынуждены использовать для запуска своих спутников космодромы, расположенные на чужих территориях.

В России для расширения возможностей по запуску своих спутников, а также пилотируемых кораблей планируется создание космодрома Восточный у южных границ на востоке страны. Это наиболее оптимальное расположение отечественного космодрома, однако остаются проблемы с выбором безопасных трасс полета ракет-но- сителей и районов падения отделяемых элементов, особенно при запусках спутников на околополярные и солнечно-синхронные орбиты, используемые для наблюдения из космоса за территорией России в интересах метеорологии, исследования природных ресурсов, контроля урожаев, а также освоения Арктики, обеспечения связи в больших широтах, недоступных для телекоммуникационных спутников на геостационарной орбите. Однако при осуществлении пилотируемых полетов с космодрома Восточный проблемой будет обеспечение безопасности экипажей космических кораблей при авариях ракет-носителей в случаях нештатной посадки кораблей с экипажем в тайге или горной местности Амурской области или Хабаровского края, а также в акваториях Татарского пролива, Охотского моря или Тихого океана.

Особенности средств выведения с воздушным стартом

Описанные проблемы стационарных стартов решаются за счет размещения стартовых устройств со стартующими с них ракетами-носителями на мобильные наземные, морские или авиационные стартовые платформы. Мобильные наземные (автомобильные или железнодорожные) стартовые платформы уже давно используются для боевых ракет, но они малоэффективны для ракет-носителей из-за их недостаточной мобильности и ограниченной дальности и скорости перемещения.

Для выведения спутников в космос нашли применение мобильные морские и авиационные стартовые платформы: в рамках международного проекта "Морской старт" с 1999 г. осуществляются запуски спутников с морской стартовой платформы, способной транспортировать ракету-носитель со спутником в любую точку Мирового океана и обеспечить их запуск по оптимальным и безопасным трассам с безопасными районами падения в акватории Мирового океана; американская компания Orbital Sciences Corp. (OSC) при поддержке Агентства по перспективным оборонным исследованиям DARPA с 1990 г. запускает спутники с помощью различных модификаций ракеты-носителя "Пегас" с авиационной стартовой платформы, в качестве которой используются самолеты B-52G, L-1011-100. Самая тяжелая реализованная модификация ракеты-носителя "Пегас" (Pegasus) выводит на низкие околоземные орбиты легкие космические аппараты массой до 500 кг.

Средства выведения с воздушным стартом ракет-носителей благодаря высокой мобильности и значительной дальности полета авиационных носителей позволяют практически всегда реализовать оптимальные орбиты для спутников и обеспечить безопасные трассы полета и районы падения отделяемых элементов ракет-носителей в малосудоходных районах Мирового океана. Воздушный старт ракет-носителей на максимально допустимой для авиационного носителя высоте полета также позволяет увеличить грузоподъемность ракет-носителей за счет:

• получаемой от авиационного носителя начальной скорости полета;
• использования на первой ступени ракеты-носителя ракетного двигателя с высотным соплом с увеличенной степенью расширения газа в сопле и повышенным удельным импульсом тяги;
• уменьшения аэродинамических потерь характеристической скорости выведения, так как старт ракеты-носителя происходит в условиях разреженной атмосферы (на высоте 8... 12 км), где плотность воздуха составляет около 25 % от плотности воздуха на уровне моря, т.е. 2/3 атмосферы преодолевает авиационный носитель, и только 1/3 преодолевает ракета-носитель;
• уменьшения гравитационных потерь характеристической скорости на начальном участке полета ракеты-носителя при более оптимальном построении траектории выведения, так как исключается необходимость в продолжительном вертикальном начальном участке полета, реализуемом при наземном старте;
• оптимального выбора безопасных районов падения отделяемых элементов ракеты-носителя в акватории Мирового океана, не требующих дополнительных затрат на приведение отделяемых элементов в эти районы.

В результате эквивалентный потребный запас характеристической скорости ракеты-носителя с воздушным стартом для выведения спутников на низкую орбиту уменьшается по сравнению с наземным стартом почти на ~800 м/с, а грузоподъемность ракеты-носителя с компонентами топлива жидкий кислород+керосин увеличивается в ~1,4 раза, что эквивалентно снижению во столько же раз удельной стоимости выведения полезной нагрузки. А при перелете авиационного носителя, например, с космодрома Восточный на экватор и запуске с экватора спутника на низкую экваториальную орбиту грузоподъемность ракеты-носителя с учетом дополнительного увеличения скорости от вращения Земли увеличивается в ~1,5 раза.

Возможность авиационного носителя доставлять ракету-носитель со спутником в районы старта, близкие к экватору, или осуществлять полет авиационного носителя с близких к экватору аэродромов обеспечивает практически оптимальные переходы с низкой на геостационарную орбиту, так как отсутствуют потери на поворот плоскости орбиты, характерные при старте ракеты-носителя с космодромов, расположенных на высоких широтах (Байконур, Плесецк, Восточный). По сравнению с запусками геостационарных спутников с космодромов Байконур или Восточный запуски с экватора за счет оптимальных межорбитальных переходов уменьшают почти на 1200 м/с потребную характеристическую скорость, а вместе с экономией от воздушного старта общая экономия характеристической скорости при выведении спутника на геостационарную орбиту достигает почти 2000 м/с. При этом для традиционных ракет-носителей и космических разгонных блоков, использующих компоненты топлива жидкий кислород+керосин, масса выводимого геостационарного спутника

увеличивается в 4...5 раз по сравнению с запусками спутников такими же ракетами-носите- лями с наземным стартом с упомянутых космодромов.

Проекты авиационно-космических средств выведения

Средства выведения с воздушным стартом благодаря их мобильности и широким возможностям по реализации оптимальных орбит для спутников, безопасных трасс полета и районов падения привлекают внимание многих фирм—разработчиков средств выведения в космос в различных странах мира. В таблице приведены проекты некоторых авиацион- но-ракетных систем выведения с воздушным стартом. В основном это средства выведения легкого класса, использующие самолеты-но- сители грузоподъемностью менее 150 т и ракеты-носители грузоподъемностью до 5 т при выведении на низкую орбиту.

Только в российском проекте "МАКС", а также в украинском проекте "Свитязь" используется самолет-носитель Ан-225 "Мрия" большой грузоподъемности: 250...275 т. Это позволяет за счет использования при выведении на низкую орбиту высокоэффективной трехкомпонентной (керо- син+жидкий кислород+жидкий водород) одноступенчатой ракеты-носителя обеспечить в проекте "МАКС" массу выводимого груза до 18 т, сравнимую с массой спутников, выводимых на такую же орбиту известной российской ракетой-носителем "Протон".

Авиационно-ракетные системы выведения

Проект "Ишим", Россия

В середине 1990-х гг. на основе опыта, накопанного при создании космического корабля Буран", российское НПО "Молния" разработало проект тяжелого двухфюзеляжного самолета-носителя "Молния-1000" ("Геракл"), имеющего взлетную массу около 900 т, в том числе массу транспортируемой ракеты-носителя около 450 т. Такая авиационно-космическая система способна доставлять на низкую околоземную орбиту полезные грузы массой 25...30 т.

В конце 2011 г. появилась информация о начале работ в США над коммерческим аэрокосмическим проектом Stratolaunch, аналогичном российским проектам "МАКС" и "Геракл", в котором используются кислородно-керосиновая ракета-носитель массой около 220 т и новый двухфюзеляжный самолет-носитель массой около 540 т с шестью двигателями от "Боинга-747". Авиационно-космическая система Stratolaunch будет применяться для доставки грузов массой более 6 т и экипажей на Международную космическую станцию (МКС) и выведения спутников в космос.
Американское агентство передовых оборонных исследований DARPA в конце 2011 г. выделило 145 млн дол. на разработку авиационно-ракетных технологий для создания средств выведения оборонных, навигационных и коммуникационных спутников.

Приведенные выше авиационно-космические системы в качестве воздушной стартовой платформы используют самолеты-носители. Грузоподъемность этих средств выведения на околоземные орбиты ограничена грузоподъемностью самолета-носителя и для приведенных проектов ограничена легким (до 5 т) и средним (до 25...30 т) классами грузоподъемности.

Проект "Бурлак-Диана", Россия-Германия

Проект «Пегас», США

Проект «МАКС», Россия

Проект «Свитязь», Украина

Проект «Воздушный старт», Россия

Проект «Геракл», Россия

Такие авиационно-космические системы способны обеспечить решение практически всех задач на любых околоземных орбитах, решаемых в космосе в настоящее время.

Перспективные авиационно-космические системы

Для решения перспективных космических задач, таких как развертывание и обслуживание тяжелых орбитальных космических станций и баз, обеспечение лунных и межпланетных экспедиций, развертывание и обслуживание солнечных орбитальных электростанций, изоляция особо опасных радиоактивных отходов в космосе, создание в космосе промышленных производств, потребуются средства выведения тяжелого и сверхтяжелого классов грузоподъемностью 50 т и более. Согласно оценкам, для реализации этих программ необходимо обеспечение грузопотока на низкую околоземную орбиту 500... 1000 т в год.

Возможность создания таких авиационно-космических средств выведения тяжелого и сверхтяжелого классов с 1992 по 2008 г. исследовалась ЦАГИ, МНТЦ ПНКО (дочерняя фирма РКК "Энергия" им. С.П. Королева), ООО "Маренго", компанией "Воздушный старт" с участием нижегородского Центрального конструкторского бюро по судам на подводных крыльях (ЦКБ по СПК) им. Р.Е. Алексеева, Таганрогского авиаци- научно-технического комплекса <ТАНТК) им. Г.М. Бериева. Исследования показали техническую возможность и экономическую целесообразность создания тяжелых авиационно-космических систем, использующих в качестве авиационного носителя большие экра- нолеты (экранопланы, способные летать в самолетном режиме) и одноразовые или многоразовые ракеты-носители, стартующие с борта экранолета.

В ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева были выполнены проектные проработки экранолетов со взлетной массой 1000...3000 т, в TAHTK им. Г.М. Бериева прорабатывался проект гидросамолета Бе-2500 "Нептун" со взлетной массой 2500 т, способного летать в режимах экраноплана и экранолета. Эти гигантские летательные аппараты по проектам были способны доставлять раке- ты-носители массой до 1000 т на дальность до 16 000 км и на высоте 8...9 км сообщать им скорость 700...800 км/ч.

Проект «Stratolaunch Systems», США

Проект «Бе-2500 «Нептун», Россия

Авиационно-космические системы с такими исходными параметрами, использующие одноступенчатые ракеты-носители с высокоэнергетическим ракетным топливом, способны доставлять на низкие орбиты грузы массой до 50...60 т, а для многоразовой возвращаемой на землю ракеты-носителя грузоподъемность составит не менее 40 т.
В США фирма Boeing в начале 2000-х гг. также проводила проектные работы по созданию тяжелого летательного аппарата — экранолета (проект Pelican ULTRA) со взлетной массой 2700 т, грузоподъемностью 1200 т, дальностью полета до 16 000 км на высоте 6000 м. Этот летательный аппарат предполагалось использовать в военных целях — для оперативной транспортировки военных подразделений с вооружением на театры военных действий. Рассматривалось также его использование как воздушной платформы для космических запусков.

Проект будущего SKYLON, Великобритания

В Великобритании компания Reaction Engines Limited более 10 лет ведет работы по космолету будущего SKYLON, способного снизить стоимость выведения грузов на низкую орбиту в 15...50 раз.
Создание в России тяжелых экранолетов позволит использовать их не только как многоразовые первые ступени перспективных средств выведения в космос, но также как уникальные транспортные средства для круглогодичных перевозок различных тяжелых грузов в труднодоступные северные и восточные материковые и морские территории страны и явится мультипликатором развития экономики Сибири, Дальнего Востока и Арктики.

Выводы

1. Российские ракеты-носители с наземным стартом из-за географического положения космодромов, ограничений по трассам полетов на активном участке и районам падения отделяемых элементов имеют ограничения по параметрам реализуемых орбит, теряют в грузоподъемности при выведении спутников на орбиты с наклонениями, меньшими широты космодрома, в том числе на геостационарную орбиту, что ухудшает их эксплуатационные и экономические показатели.

2. Авиационно-космические системы с воздушным стартом ракет-носителей с борта авиационных носителей (самолетов, экранолетов) обеспечивают возможность реализации оптимальных трасс выведения, районов падения в акватории Мирового океана, максимальной грузоподъемности ракет-носителей при выведении на любые достижимые орбиты в околоземном космическом пространстве.

3. В России к настоящему времени накоплен огромный потенциал в области авиационных и ракетных технологий, который может обеспечить создание легких, средних, а в перспективе и тяжелых авиационно-космических систем выведения в космос автоматических космических аппаратов и пилотируемых кораблей в интересах экономики страны, международного сотрудничества и науки.

Б. В. Бальмонт, Р.К. Иванов, А.С. Карпов

E-mail: airlaunch@airlaunch.ru

1. Проблемы создания перспективной авиационно-космической техники. ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского, 2005.
2. Мобильная многоразовая транспортная космическая система тяжелого класса с использованием экраноплана в качестве первой ступени // Актуальные проблемы авиационных и аэрокосмических систем. 2006. Т. 11. № 1(21).
3. Проект универсальной транспортной космической системы // Aerospace Courier. 2000. № 1.
4. Экономические особенности системы "Воздушный старт": докл. на Шестом международном аэрокосмическом конгрессе. Москва, 26 августа 2009 г.
5. Афанасьев И. Альтернатива от разработчиков "Воздушного старта" // Новости космонавтики. 2008. № 11.
6. Афанасьев И. "Воздушный старт": старт перед финишем? // Новости космонавтики. 2008. № 1.
7. Воронцов Д., Афанасьев И. "Воздушный старт": десять лет — полет нормальный? // Взлет. 2007. №, 36.
8. Международный аэрокосмический проект "Воздушный старт": докл. на 27 Международном конгрессе по авиационным наукам, 2010.
9. Шляхтерман В. У "Бурана" еще осталась энергия: интервью с Б.В. Бальмонтом // Новая газета. 20.05.2011.
10. Бальмонт Б. Альтернатива полигону Восточный // Российский космос. 2010. № 7.
     

Продолжающая цикл статья: Российский Аэрокосмический проект «Воздушный старт»