Какая ракета-носитель нужна России?⁠⁠

В космонавтике с самого ее начала есть проблема дороговизны вывода полезной нагрузки на заданную орбиту. Я ее называю кризисом серийного производства.

Предупреждение: я не стремлюсь унизить или возвысить какие-либо страны. Я сейчас не являюсь работником в космической отрасли, а значит могу ошибаться в каких либо вопросах космонавтики. Мои расчеты несут довольно прикидочный характер и могут значительно отличаться от реальной картины. Прошу отнестись с пониманием.

Если бы ракеты производились массово, цена пуска упала бы на порядок, а если прибавить многоразовость, то на 1 - 2 порядка. Суть кризиса в том, что все попытки перейти на следующий этап, не увенчались успехом.

Главная проблема не в самих технологиях, а в отсутствии такого большого спроса на космические запуски, по этому любой "шаг в сторону" от традиционных ракет считался очень экономически рискованным, пока Space-X не взяла на себя инициативу.

Чтобы ответить на вопрос в заголовке, нужно проанализировать уже существующие проекты:

Примеры некоторых проектов, которые должны были сделать космос доступнее

Проект космического одноступенчатого самолета Star-Raker от Rockwell International. Имеет 10 водородных воздушно-реактивных двигателей и 3 кислородно-водородных ракетных двигателя.

Предполагалось что его можно будет обслуживать в аэропортах и что будет производиться повторный взлет спустя несколько дней после посадки. По замыслу разработчиков, он обслуживал бы космическую солнечную электростанцию, и массово возил людей в космос.

Но постепенно популярность идеи такой станции упала, и связанные с ними проекты.

Вообще, подобных самолетных проектов 20 века, сотни, и все они имели одну суть: пытались получить спрос на пилотируемые космические или межконтинентальные пассажирские полеты, выйти за счет этого на массовость, и дешево возить грузы в космос.

Самолетная конструкция всеми представлялась как будущее космических полетов, потому что у нее было множество преимуществ:

1. Меньшие тепловые нагрузки при посадке.

2. Меньшие перегрузки при посадке.

3. Возможность совершения посадки без включения двигателей.

4. Преобразование кинетической энергии при посадке в работу аэродинамических сил для повышения дальности полета.

5. Возможность использования существующей аэродромной инфраструктуры.

Но существовал вполне обоснованный риск, что техника подходящая и для аэропорта, и выполняющая полеты в космос, и между континентами, была бы не эффективна во всем = не нужна вообще никому.

Решение одних проблем давало 2 новые, например:

Проблема сложности обслуживания многоступенчатых систем. Одной ступенью выйти на орбиту с грузом можно используя водород (если из распространенных топлив). Но водород как мы знаем, совершенно неплотный и имеет очень низкую температуру кипения. Чтобы сделать достаточно легкий водородный бак, нужны годы развития технологий в этом направлении, и высокая себестоимость самолета. Сам водород - одно из самых (если не самое) дорогое горючее в космонавтике.

Представим что мы хотим использовать существующие аэропорты. Чтобы использовать аэропорт не только при посадке, но и при взлете, взлет желательно осуществлять в соответствии с местными нормами шума и безопасности, то есть горизонтально, и используя воздушно-реактивные двигатели. Мы полностью загружены топливом, соответственно нам нужно очень много тяги и массы крыльев, чтобы взлететь, а значит нужна большая масса двигателей. Можно уменьшить стартовую массу за счет загрузки окислителя в воздухе от самолета заправщика или прямо из воздуха.

Тут получаются или ограничения связанные с характеристиками самолета-заправщика (Black Horse), либо повышенный расход водорода на сжижение кислорода из воздуха и усложнение и без того сложной техники (Skylon). Итого не совсем очевидные преимущества.

Black Horse (что интересно, - окислитель H2O2)

Skylon

Можно еще вспомнить классическое использование воздуха для сгорания на как можно большем диапазоне скоростей. Экономия топлива есть? Да. Но возникает большое аэродинамическое сопротивление, большие и продолжительные тепловые нагрузки. Добавить к этому необходимость в тяжелой и сложной многорежимной двигательной установке, и снова получаем сочетание минусов ради одного плюса.

Подобные логические цепочки можно встретить очень часто, и аспектов и проектов огромное количество, по этому далее я рассмотрю те проекты, которые по моему мнению приблизились к разгадке этой многоразовой головоломки. Ну или как минимум очень интересные.

Несколько инженеров NASA, которые хорошо понимали недостатки системы Space Shuttle, вели свой неофициальный проект Advent (с 1998 года). В последствии они создали свою фирму Advent Launch Services (ALS) и участовали в конкурсе Ansari X Prize (2005 г.). По условиям конкурса, участники должны осуществить 2 пуска суборбитального корабля за 2 недели.

Проект предусматривал в первую очередь создание одноступенчатого суборбитального самолета. Применение титана в конструкции должно было позволить ему взлетать с воды и садиться на воду (например, на удобном расстоянии от крупных прибрежных городов). Так же большая экономическая эффективность достигалась применением дешевого, эффективного, но на тот момент непопулярного метана в качестве горючего. За счет применения экранного эффекта при посадке, и вертикального взлета, достигается существенная экономия массы на крыльях и системах посадки, ступень могла самостоятельно вернуться на место запуска используя небольшой расход топлива.

Применив опыт суборбитального самолета, они планировали сделать ракету пакетной 2-х ступенчатой, постепенно увеличивать их размеры (2 ступень - аналогичная) вплоть до создания полностью многоразового тяжелого носителя. Последнее что о них я нашел, - они провели испытание прототипа двигателя, и на этом, увы, история закончилась.

Advent

Другая очень интересная идея, совместить многоразовость и увеличить серийность используя несколько одинаковых самолетов (возьмем этот метод на вооружение):

Multi-Unit Space Transport And Recovery Device Concept

Проект Британского шаттла середины 1960-ых годов. Проект похоронило сложное с технической точки зрения решение перекачивать топливо между ступенями для повышения эффективности, и нежелание правительства Британии развивать свою космонавтику.

Из более современного, мне понравился DLR Spaceliner

DLR Spaceliner - современный проект пакетного двухступенчатого космического самолета. Он принципиально сильно не отличается от типичных проектов 20 века, но является более проработанным и учитывает современные европейские технологии. Взлетает вертикально (необходимость в больших крыльях отпадает). На участке работы первой ступени, часть топлива подается в двигатели второй ступени, что дает повышенную эффективность запуска в пакетной схеме (как и в проекте выше). Главное применение, - межконтинентальные пассажирские полеты.

Если сравнивать с обычной ракетой, большая дальность полета достигается за счет ныряний в атмосферу:

Капсула, оснащенная твердотопливными двигателями и парашютами рассчитана на спасение пассажиров на любом участке полета. Вместо нее можно разместить разгонный блок и полезную нагрузку.

Это к слову о том, какую систему спасения можно было бы поставить в Starship. Я считаю что от нее отказываться не стоит в ближайшие десятилетия.

На основе похожих технологий, в Европе было множество идей касательно крылатых ускорителей, однако на сегодняшний день они отстали от метанового "тренда". Хоть и применение водорода дало бы Европе возможность использования технологий ракеты Ариан, но вместе с тем уже не самую актуальную на сегодняшний день полезную нагрузку. При тех же габаритах, в водородную ступень помещается меньше топлива, хотя процент массы полезной нагрузки у него может быть выше.

В многоразовых ускорителях применение водорода является очень спорным, еще поскольку цена их запуска в еще большей степени будет зависеть от цены водорода.

Учитывая что при взлете с космодрома Куру, эти ступени оказываются посреди океана, возникает вопрос, как их вернуть. Есть предложение буксировать их самолетом, что так же является очень спорным, потому что значительно усложняет эксплуатацию.

Близится новая Эра колонизации Луны и Марса. Государственные программы в этом направлении дадут (или можно сказать, уже дают) необходимый толчок к началу развития принципиально нового рынка, - рынка массовых космических полетов для колонизации Луны и Марса.

В этих условиях принципиально новая космическая техника уже без всяких сомнений, оправдает себя, так что пришло время создавать новую ракету-носитель.

Starship

Самая приемлемая ракета-носитель для начала космической экспансии США.

1. Пусковая установка находится по близости от места сборки.

2. Обе ступени умеют возвращаться к месту старта с помощью реактивной посадки. Их тут же готовят к следующему пуску.

3. Дешевое метановое топливо.

4. Заложенная универсальность и возможность заправки в космосе от других ракет, позволяют этому же космическому кораблю осуществлять миссии как на орбиту Земли, так и на поверхность Луны или на Марса.

5. Эффективные ракетные двигатели.

Итого мы имеем высокое массовое совершенство, относительно низкую себестоимость корабля, большую полезную нагрузку (100 - 150 т на НОО), а в перспективе массовое производство, прямо как у самолетов.

Моя идея

Одна из главных проблем в Российской космонавтике, - зависимость от габаритов железнодорожных вагонов. Было бы очень хорошо производить ракету в промышленно-развитом, европейском регионе, но вместе с тем и больших размеров для высокой массовой эффективности. Если собирать целиком здесь, то даже перевозка воздушным транспортом не спасет, потому что масса даже пустой ракеты становится неподъемной для грузового самолета. Морская транспортировка затруднена ограничениями каналов, замерзанием рек, и является очень продолжительной по времени.

По этому я выбрал практически единственное решение - большой двухступенчатый космический самолет. Чтобы он смог использовать существующие аэропорты, я предположил что его длина и ширина не должны превышать габариты Ан-124. Если отталкиваться от габаритов, то нужное количество водорода может дать слишком низкую полезную нагрузку, и неприятно отразиться на стоимости пуска. Самым оптимальным топливом я посчитал Метан + Кислород.

Чтобы конструкция космических самолетов была схожей, устойчивой к нагрузкам, и проще собираемой, я выбрал так же как и британцы, схему - пакет (когда происходит боковое разделение ступеней). Картинка из интернета для привлечения внимания:

Почему просто не скопировать Starship?

Даже если бы аналог ракеты Starship добрался до космодрома Восточный, вернуть первую ступень на космодром было бы довольно трудно.

Варианты:

1. По Российским узким низкокачественным горным дорогам.

2. По замерзающим морским путям.

3. Соорудив в глуши еще один космодром, чтобы отправить ракету назад, и тратиться на его обслуживание.

4. Потратить значительную часть топлива чтобы ступень самостоятельно вернулась на место запуска над городами.

Взяв за основу анализ аэродинамических (габаритных) и массовых характеристик проектов самолетных ускорителей Европы, и удельные импульсы Метана в России, я нашел все параметры моего гипотетического ускорителя.

VTHL - вертикальный взлет, горизонтальная посадка.

VTVL - вертикальный взлет, вертикальная посадка.

Inert Mass index - отношение массы после окончания работы к массе топлива

Structural index - масса пустого к массе топлива.

Inert Mass index - ключевая цифра для расчетов. Моему варианту, на диаграмме соответствует 0.11, но так как я хотел чтобы он не просто планировал, а имел свои воздушно-реактивные двигатели, я взял с запасом, 0.134.

Чтобы конструкция была максимально простой, но в то же время состояла из минимального числа максимально больших самолетов, я выбрал компоновочную схему Пакет (без передачи топлива между ними). Получается 3 самолета, но центральный будет иметь выдвижной головной обтекатель, меньшее число двигателей, но с большим удельным импульсом.

То есть 2 ступень будет напоминать Советский проект ГК-175 (другие названия: Ураган, Энергия-2)

ГК-175. Для иллюстрации я использовал свою сырую модель.

Выдвижной обтекатель позволяет увеличить длину топливных баков при ограничении максимальной длины самолета, значительно упрощает возвращение на Землю с точки зрения аэродинамики. Предполагаю, придется предусмотреть возможность возвращения людей и других грузов на Землю с использованием этого самолета, по этому конструкция обтекателя будет немного отличаться, и сэкономить на массе теплозащиты не получится.

Впрочем я до конца не уверен нужно ли делать такой обтекатель, или уменьшать сами баки в попытке "впихнуть" грузовой отсек.

У меня получились такие характеристики:

-Диаметр фюзеляжа (бака) 9.7 метров

-Масса боковых самолетов (пустая / полная) 230 т / 1938 т

-Масса центрального самолета 250 т / 1958 т

-Длина боковых самолетов 70 метров

-Стартовая масса всей системы 5834 т

Используя бесплатную программу Спутник http://traintospace.narod.ru/sputnik/sputnik-help.html я примерно определил полезную нагрузку и траекторию боковых самолетов:

Полезная нагрузка на НОО при старте с космодрома Восточный составила 130 т

Примерная траектория боковых самолетов (зеленая) и центрального самолета (красная)

Ближайший аэродром с достаточно широкой и длинной полосой - Дзёмги в городе Комсомольск-на-Амуре. После обслуживания и дозаправки, самолеты могут продолжить свой путь обратно на космодром Восточный, где тоже планируется построить хороший аэропорт:

Особенности старта с космодрома Восточный

В отличие от западных космодромов, космодром Восточный расположен не на берегу океана, что означает что самолету не обязательно сразу возвращаться на космодром, ведь недалеко от мест спуска существует сразу несколько крупных аэродромов. Использование воздушно-реактивных двигателей, увеличивает топливную эффективность возвращения. Положительный эффект от такого приема значительно компенсирует высокую широту России и низкую массовую эффективность самолетов в сравнении с ракетой аналогичных размеров (но это не точно). Таким образом самолетная система уменьшает влияние недостатков в расположении космодрома Восточный, и по максимуму использует его преимущества.

Преимущества по сравнению с существующими проектами многоразовых крылатых блоков в России:

1. Полная многоразовость.

2. Большие размеры = лучше массовая эффективность.

3. Применение для более актуальной полезной нагрузки (100+ тонн).

4. Унифицированная конструкция для центральной ступени и ускорителей.

Применение многоразовой ракеты-носителя

Вывод различных грузов и людей на орбиту Земли, обслуживание многоразовых буксиров. Создание дальнейших многоразовых систем (буксиров) для полета на Луну и на Марс потребует дополнительных усилий, но за счет применения лишь для определенных перелетов и орбит, они будут проще и эффективнее корабля Starship, ведь масса конструкции для полетов исключительно в космосе будет меньше, полетов с полупустыми баками не будет.

Один из вариантов применения таким образом: самолет выводит груз с метановым буксиром на низкую орбиту, те летят на окололунную станцию, где происходит передача груза либо на лендер, либо на буксир к Марсу и заправка Лунным кислородом. Когда буксир после заправки кислородом прилетит снова на орбиту Земли, его можно забрать на обслуживание на Землю, или заправить в космосе и отправить снова в полет.

Таким образом выстраивается эффективная транспортная система:

Земля - Низкая Околоземная Орбита

НОО - Окололунная орбита

Окололунная орбита - Луна/Марс/НОО

Моя группа ВКонтакте: https://vk.com/newexpanse

Спасибо за внимание, было бы интересно узнать ваше мнение в комментариях.