НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА СТАРЫЕ ПРОБЛЕМЫ

 

«Каждый может видеть только то, что может видеть»

Сократ, 469-399 до н.э.

 

В ракетостроении существуют понятия и догмы, которые считаются неоспоримыми истинами. Например, известно утверждение, что жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) намного эффективнее твердотопливных двигателей (РДТТ), поскольку имеет большую тягу и более высокий КПД. Другим утверждением является то, что самой рациональной траекторией запуска ракеты является вертикальный старт с последующим переходом на пологую траекторию в направлении вращения земли. Целью данной статьи не является оспаривание каких-либо общепринятых истин или утверждений. На основе известных исторических фактов, автор предлагает взглянуть на привычные вещи с нестандартных позиций.

 

1. О несовершенстве ракет

parovoz_mini
Основа любой современной ракеты – силовая установка, в которой чаще всего используется жидкостный или твердотопливный ракетный двигатель. Причем жидкостные двигатели (ЖРД) применяются чаще, поскольку считаются самыми эффективными. Самая популярная в России ракета носитель «Союз» весить 315 тонн и выводит на орбиту полезный груз около 6 тонн. Нетрудно посчитать, что КПД этой ракеты всего 2%. Т.е. ракета возит сама себя! Если учесть, что КПД обычного паровоза около 8%, то нетрудно заметить, что КПД современной ракеты в 4 раза ниже, чем у паровоза. Если увеличивать размеры ракеты, повышая ее грузоподъемность, то КПД уменьшается, поскольку возрастает общая масса ракеты и объемы топлива, необходимого для полета.

 

Другим недостатком ЖРД, является его высокая стоимость и сложность подготовки к полету. Например, себестоимость производства РД108А (основного двигателя первой ступени РН«Союз») около 6 млн. долларов, а себестоимость всей ракеты более 70 млн. долларов. Такая стоимость объясняется сложной конструкцией современных ЖРД, в котором имеется очень дорогая турбина для перекачки топлива и окислителя, сложная система гидроприводов управления и др. агрегаты. Чтобы подготовить такую ракету к полету, нужно закачать в 16 огромных баков топливо и окислитель, наполнить десятки баллонов высокого давления (до 40 атм), и провести множество регламентных работ, которые превращают старт ракеты в многодневное опасное шоу. Малейшая искра может привести к взрыву.

 

Необходимо отметить, что современные ракетные двигатели уже полностью исчерпали свои возможности. Совершенствовать их все равно, что совершенствовать паровозный двигатель, приспосабливая его, например, для использования в самолете. Конечно, самолет с паровым двигателем полетит. Но каким же громоздким и неэффективным он будет. Таким же, как современная ракета.

 

Три проблемы ракетной техники:

1. Ракетные двигатели обеспечивают хорошую тягу, но весьма прожорливы, т.к. тратят много топлива. Современная ракета на 80% состоит из огромных топливных баков и, по сути, возит сама себя.

2. Ракеты стоят очень дорого, но используются только 1 раз – это очень расточительно!

3. Космические ракеты взлетают по одинаковой вертикальной траектории, но может быть имеются более хорошие альтернативные варианты?

 

2. Почему Вернер Фон Браун делал ракеты с ЖРД

 

Твердотопливный двигатель (РДТТ) более прост по конструкции и почти не требует обслуживания. Горючий компонент заливается в камеру сгорания еще на заводе, и сразу готов  к употреблению. Удобно, быстро и дешево. Тогда возникает вопрос: А почему же в ракетах твердотопливные РДТТ применяются реже?

 

Ответ прост: ЖРД, разработанный в начале 40-х годов Вернером фон Брауном настолько усовершенствовали, что по своим характеристикам он намного превосходит РДТТ. Твердотопливные двигатели имеют только два преимущества – удобство эксплуатации и сравнительно низкую себестоимость. Но, почему В.Ф. Браун занимался исключительно усовершенствованием ЖРД? Ведь, если бы этот талантливый инженер занялся разработкой твердотопливных ракет, то может быть результат был бы не хуже?

 

История:aeroplans

В начале своей карьеры Вернер фон Браун жил в Германии, которая проиграла Первую мировую войну и 28.06.1919 г. (ровно через пять лет после убийства эрцгерцога Франца Фердинанда) в Версальском дворце во Франции подписала позорные условия капитуляции. Версальский мирный договор предусматривал жесткие запреты развития немецких военных технологий. В частности: Часть V данного договора была посвящена военным, морским и воздушным положениям. Там был Отдел 5 (ст. 211-213) об общих положениях: «Производство оружия (по строго выработанной номенклатуре) может происходить лишь на определённых заводах, находящихся под контролем союзников. Все военные ограничения, наложенные на Германию, должны контролироваться особыми между союзными комиссиями, которые будут иметь свои филиалы и отдельных уполномоченных в различных местностях Германии». В приложении был перечень, который, среди прочих позиций, включал запрет на разработку и производство твердотопливных (пороховых) ракет, которые в то время имели военное применение.

 

В Первой мировой войне твердотопливные ракеты применялись в авиации для уничтожения аэростатов противника. Когда авиационный пулемет прошивал оболочку аэростата, тот плавно опускался, и после ремонта мог использоваться повторно. Но если в аэростат попадала ракета, он моментально взрывался, т.к. был наполнен водородом. Кроме борьбы с аэростатами, ракеты применялись и против аэропланов противника. Поскольку пороховые ракеты считались эффективным оружием, Германии было запрещено их производить. Ракеты с двигателями на жидком топливе (ЖРД) не попали в ограничения Версальского договора, поскольку в то время их не было. Поэтому Вернер фон Браун мог спокойно заниматься их разработкой, и к концу Второй мировой войны довел их до совершенства. Ракета ФАУ-2 была настолько дешевой, что производилась сотнями серийно одновременно на двух заводах.

 

Сразу после громких объятий на Эльбе СССР и США вступили в соревнование за лучшие умы немецкой военной науки. Если американцам достался фон Браун, то нашим удалось заполучить таких первоклассных профессионалов, как Вернер Альбринг – аэродинамик, работавший над управляемыми ракетами; Гельмут Греттруп – инженер-ракетчик, разработчик отделяемой боеголовки баллистической ракеты; Вольдемар Вольф – бывший руководитель отдела баллистики фирмы «Крупп». Кроме ракетчиков Советскому Союзу достались выдающиеся физики-ядерщики Манфред фон Арденне и Густав Герц.

 

13 мая 1946 года в СССР вышло секретное постановление о создании сети НИИ в области ракетной техники, а также ядерной физики, радиотехники, оптики, химии. В соответствии с этим документом в СССР было вывезено около 7000 немецких специалистов и членов их семей. Ракетчиков разместили посреди озера Селигер на безлюдном прежде острове Городомля, ядерщиков отвезли в пригород Сухуми Агудзеру. Хотя жили немцы за колючей проволокой и не могли свободно покидать зону работы и проживания, их нельзя было назвать военнопленными. Получали полноценное питание (несмотря на карточную систему в стране), зарплату, порой более высокую, чем у советских коллег: учёные ранга Вольдемара Вольфа – 6000 рублей в месяц (как у С.П. Королёва), Греттруп – 4500 руб., инженеры – по 4000 руб. (для сравнения: наш ракетчик В.П. Мишин получал 2000 руб.). Семейным немцам предоставили трёхкомнатные квартиры. С Городомли их регулярно возили на рынок в близлежащий Осташков, устраивали им поездки в театры и музеи Москвы.

 

На Селигере было восстановлено производство ракет Фау-2. До начала 50-х, когда немецким специалистам позволили вернуться в Восточную Германию, они успели разработать чертежи нескольких моделей ракет. Правда, по настоянию Королёва для производства выбрали проекты советских специалистов, но многие элементы были взяты у немецких «конкурентов». Так, советская Р-7, до сих пор выводящая на орбиту «Союзы» и «Прогрессы», мало отличается от немецкой ракеты Г-5. Со многих чертежей стирали немецкие надписи, заменяя их русскими.

 

Аналогичная работа осуществлялась и в США. После поражения Германии американцы сначала интернировали главного конструктора немецких ракет Вернера фон Брауна, а затем поставили его во главе ракетно-космической программы США. В условиях «гонки вооружений» не было возможности проводить альтернативную проработку твердотопливных двигателей. Поэтому о них на время «забыли». Все силы были направлены на развитие уже готовых технологий, и ракета ФАУ-2 с жидкостным ракетным двигателем стала основой для всех последующих разработок.  

 

3. Какой старт лучше?

zanger
Известно, что в Германии, одновременно с проектом ФАУ-2 был проект многоразового космического самолета, разработанный в 1938 г. инженером В. Зангером. Этот проект не был реализован по чисто экономическим причинам, поскольку он был сложнее проекта ФАУ-2 и стоил дороже. Поэтому страны-победительницы не обратили на него должного внимания, сконцентрировавшись на более известных разработках. Многоразовый космический бомбардировщик «America Bomber» предназначался для бомбардировок Нью-Йорка и Вашингтона с высоты 150 км. Программа полета включала полный облет вокруг Земли в космосе и приземление в Германии. Весьма интересен процесс старта: Этот аппарат устанавливался на специальной железнодорожной платформе, оснащенной разгонным ракетным двигателем, которая размещалась на эстакаде монорельсовой дороги длиной 3 км. Платформа должна была развивать тягу 6 тонн в течение 11 секунд. После взлета аппарат летел по инерции, достигая высоты 1,5 км при скорости 1850 км/час. Затем запускался главный ракетный двигатель, который разгонял аппарат до максимальной скорости nasa22100 км/час, и поднимал его на высоту 280 км. При этом расчетный расход топлива составлял 90 тонн. Движение аппарата в стратосфере было тоже весьма интересно. По замыслу автора в результате начального ускорения и последующего спуска под действием гравитации до плотных слоев атмосферы (приблизительно до высоты 40 км), аппарат должен как бы оттолкнуться от них и снова подняться вверх. Это движение напоминало движение плоского камня, пущенного по воде. Такое движение позволяло аппарату не входить сразу в плотные слои атмосферы, и избежать фрикционного нагревания и перегрева. Амплитуда подобных скачков должна постепенно уменьшаться, пока космический аппарат не начнет нормально планировать в атмосфере. Посадка производилась по-самолетному на обычный аэродром на трехопорное шасси.

 

В настоящее время в NASA в рамках программ  Х-43А и Х-51  проводятся испытания горизонтальной стартовой системы, очень похожей на немецкий проект. Главным преимуществом такого старта является то, что первая ступень ракеты, обеспечивающая разгон, остается на земле и используется многократно.

 

В 1965 г. в СССР в ОКБ-155 под руководством Г.Е. Лозино-Лозинского (в последующем руководителя проекта «Энергия-Буран») был разработан эскизный проект воздушно-орбитального самолета «Спираль», который разгонялся в атмосфере до гиперзвуковой скорости самолетом-носителем, и после отделения самостоятельно выходил на орбиту Земли. Главным недостатком всех существующих проектов горизонтального старта при помощи многоразовых разгонных устройств является их чрезмерно высокая стоимость, из-за которой они не получили своего дальнейшего развития.

 

Проект «Горизонтальный старт»

sovet

В ЗАО «РК Старт» подробно проработана идея создания многоразового разгонного устройства, где разгон осуществляется не по прямой линии, а по круговой спиральной траектории. В этом проекте предлагается спроектировать и испытать стационарную пусковую установку, осуществляющей разгон по круговой спирали, использующей систему тросов или жёсткую конструкцию изменяемой длины, а также создать многоразовую мобильную (транспортируемую) установку данного класса в интересах Минобороны России. Авторы проекта нашли эффективные технические решения для преодоления разрушительного действия перегрузок и других динамических факторов кругового ускорения.

 

Достоинства кругового разгона:

    = Сравнительно низкая себестоимость устройства и его многоразовость;
    = Возможность разгона до любой скорости, которая ограничивается только прочностью конструкции;
    = Возможность создания высокомобильных установок.

 

В настоящее время научно-исследовательские работы по созданию принципиально-новых стартовых ускорителей включены в перечень приоритетных направлениях в рамках проекта “Комета”. В отличие от аналогичных проектов предыдущих лет (осуществлявшихся в СССР, США и Германии), новый проект, разработанный ЗАО “РК Старт”, имеет более низкую себестоимость, и может быть применен на ракетах различного назначения. Применение спирального разгонного устройства позволяет снизить взлетную массу ракеты-носителя более, чем в 2 раза, что, в свою очередь, снижает себестоимость запуска в 3 раза за счет снижения стоимости ракеты и многоразового применения стартового разгонного устройства.