Сто полетов в космос

Пятьдесят три года назад человек впервые полетел в космос. С тех пор многое изменилось: с Земли стартуют космические аппараты, связь и трансляция телеканалов осуществляются с помощью множества спутников, а космический туризм стал дорогостоящим, но вполне реальным развлечением. Раньше Луна была далеким небесным телом, Марс и вовсе — яркой точкой на небосклоне, а сегодня мы всерьез рассматриваем теорию использования этих территорий для заселения, добычи ресурсов, организации производства и других нужд человечества.

Исследования космических аппаратов являются одним из самых важных направлений деятельности ЦАГИ. Наш институт — единственная организация в стране и одна из крупнейших в мире, которая может воссоздать в комплексе условия полета космического аппарата на земле: гиперзвуковые скорости, акустические воздействия, высокие температуры, вакуум и т.д.

Возможность многоразового использования ракетно-космических комплексов давно волновала умы зарубежных и отечественных ученых. Яркий пример достижений в этой области — возвращаемый орбитальный корабль «Буран», в создании которого ЦАГИ играл ключевую роль. Ракета-носитель, доставляющая челнок в космос, разрушалась и повторно не использовалась.

Сегодня ученые решили сделать многоразовой именно систему выведения на орбиту. В этом году ЦАГИ завершил целый комплекс исследований многоразовых ракет-носителей космического назначения (МРКН) и их возвращаемых крылатых блоков. Эта система выведения разрабатывается Государственным космическим научно-производственным центром (ГКНПЦ) имени М.В. Хруничева в кооперации с более чем 20 предприятиями авиационно-космической отрасли.

Мы встретились с Валентином Ивановичем Бузулуком, ведущим ученым ЦАГИ по этому направлению, начальником сектора исследований перспектив развития аэрокосмических систем НИО-10, доктором технических наук, членом-корреспондентом Российской академии космонавтики имени К.Э. Циолковского. Валентин Иванович рассказал об особенностях системы, ее плюсах и минусах, и о работе, проделанной большим коллективом ученых ЦАГИ.

— Валентин Иванович, как понятно из названия, система выведения является многоразовой. «Много раз» — это сколько?

— Возвращаемые крылатые ракетные блоки максимально рассчитаны на сто полетов.

— Что такое возвращаемый ракетный блок? Значит, на Землю вернется все, что улетело в космос?

— Вообще, многоразовая ракета-носитель представляет собой двухступенчатую систему выведения. «Многоразовой» является только ее первая ступень, которая состоит из одного или двух крылатых возвращаемых ракетных блоков (ВРБ). МРКН взлетает вертикально, а при числах Маха, равных семи (около 7000 км/ч), от нее отсоединяются крылатые блоки первой ступени. Происходит это на высоте около пятидесяти километров. Там воздуха почти нет, и аппарат сначала движется в свободном полете. Когда ракетный блок входит в плотные слои атмосферы, включаются органы аэродинамического управления, начинается торможение и аппарат разворачивается по курсу в сторону космодрома, с которого взлетел в составе ракеты. После выхода на дозвуковую скорость на высоте около семи километров на возвращаемом блоке включаются воздушно-реактивные двигатели. Аппарат становится самым настоящим беспилотником и в режиме автоматического управления совершает возвратный полет на скорости 550-650 км/ч.

— Куда будут возвращаться блоки?

— В настоящее время на Дальнем Востоке в Амурской области, вблизи поселка Углегорск, строится новый российский космодром «Восточный». Именно он станет точкой старта для МРКН, туда и будут возвращаться многоразовые блоки первой ступени. Уже начато строительство посадочной полосы длиной в пять километров.

— Возвращается только первая ступень, а что происходит с остальными частями комплекса?

— Отработавшая вторая ступень частично сгорает в атмосфере и падает в антиподную, то есть противоположную месту запуска, точку Земли. Относительно космодрома «Восточный» — это район Атлантического океана между Южной Америкой и Антарктидой.

— Почему разработчики сделали возвращаемой первую ступень ракеты-носителя, а не вторую?

— Важную роль здесь сыграли экономические и экологические факторы. Именно первая ступень берет на себя максимум нагрузки по энергетике, массе, и расходы на ее изготовление составляют самую значительную долю в общих затратах на создание ракеты. Более того, первая ступень, в отличие от второй, падает на континентальную часть планеты, недалеко от самого космодрома. Для одноразовых систем выведения необходимо выделять зоны отчуждения, в пределах которых нельзя ни жить, ни работать — ведь металл, остатки топлива и прочие отходы загрязняют почву и воздух.

— В чем же экономический выигрыш?

— Есть такое понятие, как «удельная стоимость выведения полезного груза на орбиту». Она состоит из затрат на разработку системы, ее изготовление и эксплуатацию. Самое дорогое — это изготовление, и, как вы понимаете, в традиционном варианте ракеты-носителя при каждом новом запуске эти расходы повторяются. В случае многоразовой системы затраты могут сократиться в сто раз! Правда, увеличатся расходы на разработку первой ступени, ведь это уже будет не простой одноразовый ракетный блок, а многоразовый крылатый летательный аппарат. Появится и такая расходная строка, как «послеполетное обслуживание». Но в итоге многоразовость первой ступени позволит совершить качественный скачок в ракетостроении и сэкономить сотни миллиардов рублей.

— Что Вы можете сказать об общей эффективности системы? Например, с точки зрения грузоподъемности: соответствует ли она своим предшественницам?

— Она в разы их превосходит! Мы рассмотрели четыре варианта компоновки многоразовой системы. В самой простой схеме «1+1», когда ракета состоит из одного блока первой ступени и одного — второй, в космос можно поднять двадцать пять тонн груза. К примеру, ракета-носитель «Протон» выводит чуть больше двадцати тонн груза, а «Союз» — около семи тонн.

В схеме с одним одноразовым и двумя возвращаемыми блоками МРКН выводит тридцать пять тонн, с двумя многоразовыми и двумя одноразовыми — пятьдесят пять тонн. Максимальная грузоподъемность в шестьдесят тонн достигается при комбинации двух возвращаемых блоков первой ступени и трех одноразовых блоков второй ступени.

— Зачем создавать целое семейство таких ракет-носителей?

— Целей у запуска ракеты в космос много: от выведения спутников связи, для чего нужна небольшая грузоподъемность, до создания новых космических платформ или комплексов, что требует больших мощностей.

Фактически семейство МРКН — это универсальный ряд средств выведения, который удовлетворит большую часть «космических» потребностей. Более того — я уверен — семейство МРКН сыграет ключевую роль в освоении Луны и Марса, так как для этого сначала потребуется вывести на околоземную орбиту сотни тонн космических грузов.

— ЦАГИ провел большой комплекс испытаний по этому направлению.

— Вы правы, в испытаниях были задействованы сотрудники из семи ключевых отделений института. Общее руководство осуществляли заместитель генерального директора ЦАГИ Игорь Ковалев и руководитель программы аэрокосмических исследований ЦАГИ Александр Филатьев.

В эскизном проекте исследовались два варианта возвращаемого блока: с прямым поворотным крылом и неподвижным трапециевидным. В первом варианте ВРБ в составе МРКН представляет собой обычный ракетный блок, у которого после отделения появляется крыло, разворачиваемое с помощью поворотного механизма. До этого момента крыло располагалось вдоль корпуса аппарата. Второй вариант ВРБ внешне повторяет форму «Бурана», измененную в соответствии с новыми функциями.

В ЦАГИ был проведен широкий спектр расчетных и экспериментальных исследований по семейству МРКН. В частности, десятым отделением выполнены комплексные расчетно-теоретические исследования всех четырех вариантов МРКН и двух вариантов крылатого блока первой ступени. Мы провели оптимизацию основных проектных параметров МРКН и траекторий их выведения на орбиту. При этом разработали новые подходы к решению задач по улучшению характеристик и основных показателей всего семейства МРКН. Мы показали, что грузоподъемность МРКН можно увеличить еще на восемь-десять тонн, при этом уменьшить удельную стоимость выведения на орбиту на четыре-пять процентов. Также определили, что наращивание числа ракетных блоков с прямым поворотным крылом позволит построить расширенное семейство ракет с грузоподъемностью до ста шестидесяти — ста семидесяти тонн. В этом случае потребности отечественной космонавтики в тяжелом и сверхтяжелом средствах выведения будут закрыты полностью.

Многое еще не завершено — на 2015-й год намечены научные исследования, на 2016-й — продолжение опытно-конструкторских работ.

— Так когда многоразовая ракета-носитель «увидит звезды»?

— Я могу сказать, что проделанная в ЦАГИ работа содержит обширные материалы исследований. Они открывают реальные научно-технические возможности создания в ближайшей перспективе качественно нового многоразового средства выведения с крылатыми блоками первой ступени. Если не возникнет никаких препятствий и развитие космического направления будет постоянным, наши многоразовые ракеты полетят после 2020 года.