Доступ к космосу очень дорогой, и это одна из главных причин, которая мешает нам продолжить изучение Солнечной системы. С появлением частично повторно используемых пусковых установок он может начать двигаться. Однако мы очень далеки от мечты о космическом корабле, которым так же легко управлять, как автомобилем или самолетом. Это подразумевало бы полностью повторно используемое транспортное средство и особенно способное достигнуть орбиты Земли, не опуская ее стадии.
Многоступенчатые ракеты доказали свою эффективность с начала космической эры
Все ракеты имеют многоступенчатый дизайн, потому что мертвая масса является заклятым врагом доступа на орбиту. Чтобы иметь возможность быть на орбите, подавляющее большинство массы пусковой установки должно состоять из ракетного топлива. Опуская мертвую массу по мере набора высоты, мы сохраняем это соотношение и, следовательно, характеристики ракеты. Есть много способов сделать это. Мы можем сложить этапы, каждый со своими собственными движками, один над другим или даже рядом друг с другом.
Благодаря архитектуре, в которой используются ускорители, мы получаем двух- или трехступенчатые ракеты, которые могут дополнительно использовать несколько сменных ускорителей. Это работает довольно хорошо, даже если возможности повторного использования всех элементов ограничены. Эта конструкция была быстро навязана в первых пусковых установках космической эры. Тем не менее, некоторые инженеры пытались представить одноступенчатые пусковые установки (SSTO), которые воспринимаются как ключ к полному повторному использованию и, следовательно, к снижению стоимости доступа в космос.
Концепции одноступенчатых пусковых установок (SSTO) сталкиваются со многими техническими проблемами
Если ни одна из этих машин не летает сегодня, то это потому, что этот тип архитектуры накладывает радикальные ограничения. Как сохранить массу пусковой установки на минимуме, не бросая ничего во время поездки? Как построить эффективный двигатель на всех этапах полета, с мощной взлетной мощностью и сильным специфическим импульсом после выхода из атмосферы? И особенно, как вставить полезную нагрузку, когда масса транспортного средства уже создает много проблем? Это загадка, которую пытаются решить пусковые установки SSTO (Single Stage To Orbit), космические аппараты с обязательно более низкими характеристиками, но которые могут быть созданы путем полного повторного использования. Было много концепций исследования по предмету, и некоторые из этих проектов все еще находятся в разработке.
Еще в 1960-х годах Филипп Боно, инженер из Дугласа, представил ряд концепций, которые становились все более и более продвинутыми. Первые концепции немного обманывают с использованием сбрасываемых топливных баков, но очень быстро они возвращаются с архитектурой действительно SSTO и особенно многоразового использования. Его ранние работы освещают ключевые технологии такой архитектуры. Для Филиппа Боно пусковая установка SSTO должна иметь возможность взлетать и приземляться вертикально (VTVL = вертикальный взлет и вертикальная посадка). Пусковая установка должна иметь форму ракеты, а не самолета, потому что крылья слишком важны для собственного веса. Только водородно-кислородная пара может предложить мощность и определенный импульс, требуемый для всех фаз полета.
Демонстрация Delta Clipper SSTO прошла испытания в 1990-х годах
Идеи Филиппа Боно произвели большое впечатление на Макдоннелла Дугласа, который начал разработку демонстратора Delta Clipper в начале 1990-х годов. Этот демонстратор предлагает хороший, небольшой обзор того, как будет выглядеть этот тип архитектуры: коническая форма ракеты, гидрологические двигатели, модульная тяга, легкие материалы и потребность в тепловой защите для входа в атмосферу.
Delta Clipper совершил 12 полетов. Он никогда не превышал 3 километров, но этот демонстратор смог продемонстрировать высокий потенциал повторного использования этой архитектуры, иногда между двумя полетами иногда более 24 часов. Программа Delta Clipper никогда не приводила к орбитальной модели, но некоторые инженеры, работавшие над проектом, теперь работают в Blue Origin.
Концепция космического самолета была разработана Lockheed Martin перед отменой
Хотя Филипп Боно не верил в это, идея транспортного средства в форме самолета соблазнила другие команды. Примерно в то же время, когда Макдоннелл Дуглас тестировал Delta Clipper, Lockheed Martin начал работать над X-33. Это был демонстратор, чтобы проверить все технологии, необходимые для разработки автомобиля SSTO.
Lockheed Martin и NASA определили набор технологий, которые могли бы сделать возможным такой проект: форма, облегчающая повторный вход в атмосферу, вертикальный взлет и горизонтальная посадка, сопла для аэроспайков, адаптированные ко всем этапам полета, использование пары водорода и жидкого кислорода. X-33 должен был в основном использовать композитные материалы, чтобы минимизировать вес от топлива. Для НАСА это были ключи к созданию транспортного средства, которое могло бы снова полететь через несколько дней и потребовать меньшего количества обслуживания.
Космическое агентство США увидело в этой программе возможность сделать доступ к орбите Земли в десять раз безопаснее и в десять раз дешевле. Но это не так хорошо. Проект был отменен в 2001 году из-за технических трудностей. В частности, изготовление топливных баков из композиционных материалов. Обидно, когда мы знаем, что резервуары с криогенным углеродным волокном с тех пор достигли огромного прогресса.
Модель SSTO не интересует многих людей, потому что существуют другие проверенные решения
Сегодня нельзя сказать, что автомобили SSTO вызывают большой интерес. Частичное восстановление, кажется, окупилось, так как SpaceX доказал, что технологический скачок не так важен. В Великобритании все еще есть команда, которая хочет верить в разработку космического самолета Skylon.
Чтобы действительно сделать архитектуры SSTO интересными, нам, возможно, придется изучить другие решения, кроме химических движителей. С ядерной энергией мы можем иметь как большую мощность, так и большой удельный импульс. Ядерные двигатели достигли передовых стадий развития еще в 1960-х годах. Тепловая ядерная тяга обеспечит тягу, расслабив водород через тепло реактора. Это приведет к сильной тяге, но этого недостаточно для движения первой ступени или автомобиля SSTO.
Вскоре космический аппарат SSTO не будет запущен
Джон Бакнелл, бывший инженер по движку SpaceX Raptor, в 2015 году придумал, как повысить мощность и эффективность такой системы. Как и в случае с космическим самолетом Skylon, было бы необходимо втянуть воздух в атмосферу, чтобы добавить цикл сгорания к тепловому двигателю. В таком двигателе водород сначала расширяется при нагревании ядерным реактором, а затем впрыскивается в камеру сгорания, где он сгорает в контакте с атмосферным воздухом. Это приводит к значительному увеличению тяги и удельного импульса на первом этапе полета.
Джон Бакнелл полагает, что такая система создаст действительно мощную ракету SSTO, способную доставлять большую полезную нагрузку на орбиту и дальше. Очевидно, что он должен быть многоразовым, чтобы быть экономически жизнеспособным, потому что применяемые технологии очень сложны. Такой двигатель, вероятно, не будет разрабатываться в течение долгого времени, равно как и орбитальная машина SSTO. Ограничения все еще кажутся слишком важными по сравнению с ожидаемым выигрышем.
До сих пор предусмотрен другой путь, позволяющий полностью использовать космические аппараты. SpaceX Starship и его ускоритель поддерживают архитектуру в два этапа, но мы пытаемся восстановить их отдельно. Нет необходимости в принципиальном технологическом прорыве. Если космическому кораблю SpaceX удастся однажды приземлиться на Луну или на планету Марс, ему придется снова взлететь, чтобы приземлиться на Земле, как настоящий автомобиль SSTO.
Images by A. Mann / Glenn Research Center [Public domain] / NASA/MSFC [Public domain]
источники
