«Энергия», которую мы утратили⁠⁠

Как мы прекрасно знаем, у реактивного двигателя есть две главные величины, физически его характеризующие. Это тяга и удельный импульс. Когда двигателю нужно проделать большое количество работы, то есть придать сотням тонн груза скорость с нулевой до примерно 3 км/с, то на удельный импульс мало «обращают внимания». Что неудивительно, скорость объекта не сопоставима со скоростью истечения рабочего тела. Правда, кода скорость объекта начинает превышать 2 км/с, то физическая характеристика удельного импульса начинает уже довлеть над тягой. Поэтому, большинстве случаев, нижние ступени ракет-носителей оснащают двигателями с малым удельным импульсом (твердотопливные, керосиновые и т.д.) и наоборот, верхние ступени – с большим удельным импульсом (водородные). К сожалению конструкторов, когда космическому аппарату нужно изменить направление, выдать импульс на торможение или ускорение, то опять тема тяги двигателя выдвигается на первое место. Сразу вспоминаются слова Валентина Петровича Глушко, что космические корабли с комбинированными двигательными системами открывают большие возможности в исследовании Дальнего космоса.

О таких терминах физических характеристик двигателя, как мощность и тяга, мы естественно имеем представление и поэтому на них останавливаться не будем. Другое дело, удельный импульс. Эту физическую характеристику я предлагаю разобрать немного поподробнее.

Есть такая интересная формула, которая определяет удельный импульс для химических реактивных двигателей. У неё нет собственного названия. В обиходе её называют «Ы-формулой». Именно её писали студенты на полу из фильма «Операция «Ы»». Кому это интересно, без труда может её найти. Мы же, на эту формулу посмотрим в свете подбора компонентов топлива для межпланетных полётов, а именно, почему для химических реактивных двигателей в Дальнем космосе нет другой альтернативы водороду.

Из этой формулы прекрасно видно, что чем меньше молекулярный вес газа, тем удельный импульс выше, а как мы знаем, элемент №1 (водород) имеет самый маленький молекулярный вес. Если быть до конца точным, то нужно сказать, что в расчёт берётся и окислитель. Наибольший удельный импульс может дать другое соединение водорода, а именно, трёхкомпонентное, с литием и фтором, но из-за технологических трудностей оно неприменимо на практике.

Итак, если космический корабль на определённом этапе своего межпланетного полёта вынужден использовать реактивный двигатель на химическом топливе, то лучше пары водород-кислород нам не найти.

Как вы сами понимаете, преимущество химического двигателя заключается главным образом в его большой мощности, но когда ракета уже набрала высокую скорость, то мы уже смотрим на двигатель уже с позиции удельного импульса. Что главным образом характеризует удельный импульс? Удельный импульс прежде всего характеризует КПД двигателя. Чем выше КПД двигателя, тем меньше затраты топлива (рабочего тела). Чтобы рабочее тело создало большее количество движения (импульс), то ему нужно создать большую скорость истечения рабочего тела. Вот поэтому удельный импульс эквивалентен скорости истечения рабочего тела. Тут слово «эквивалентен» ключевое. Эквивалентен – не значит, равен. Если для химических реактивных двигателей эти показатели практически равны (и то, не всегда, ниже ещё приведу пример), то для газотурбинных реактивных двигателей – они разные. Это происходит потому, что у воздушно-реактивных двигателей окислитель и рабочее тело поступают из окружающего воздуха и их расход в формуле расчёта не учитывается.

Естественно молекулярной массой рабочего тела качественный показатель удельного импульса не ограничивается. Для примера возьмём два культовых реактивных двигателя. Это двигатель RS-68, самый мощный в мире однокамерный кислородно-водородный двигатель. Он используется как маршевый двигатель первой ступени в американской ракете-носителе «Дельта-4». Визави этому двигателю будет выступать РД-0120 – маршевый кислородно-водородный двигатель ракеты-носителя «Энергия». Удельный импульс американского двигателя в вакууме равен 409с, аналогичный показатель двигателя «Энергии» - 455с. Для двигателей с одинаковым рабочим телом – это громадная разница. Мало того, в перспективе предполагалось довести удельный импульс РД-0120 до 460,5с! Дело в том, что ставки в программе «Энергия-Буран», как вы понимаете, были высокие. Поэтому, все агрегаты (в том числе и двигатели) были выполнены с большим технологическим запасом. По понятным причинам, доведение отечественного двигателя до этого показателя не состоялось.

Естественно, РД-0120 был выполнен по сложной замкнутой схеме, с дожиганием генераторного газа после турбины. Это технологично и дорого, но иного способа повысить удельный импульс химического реактивного двигателя не существует.

Коль мы коснулись ракеты-носителя «Энергия», то стоит отметить, что без носителей сверхтяжелого класса невозможно поднять марсианские миссии на качественно иной уровень. Ведь любой марсианский проект ориентируется на существующую ракету-носитель. Напомню, что все предыдущие миссии на Красную планету осуществлялись носителями максимум тяжелого класса. Все они были способны доставить груз на низкую опорную орбиту Земли не более 30 тонн. «Энергия» же способна с гиперболической траектории доставить прямо на поверхность Красной планеты тело массой 25 тонн!

Запуск «Энергии» произвёл фурор в мировом сообществе. Чтобы представить атмосферу того техногенного нокаута, в котором пребывал Запад, я позволю себе процитировать некоторые высказывания западных специалистов. Известный американский учёный, эксперт по советской космонавтике Джеймс Оберг: «Никакая другая космическая держава не могла бы за такой короткий срок, начав с нуля, дойти до конструирования ракет, подобных «Энергии». Этим СССР обязан своим конструкторам и своей разведке».

Британский специалист по аэронавтике, создатель двигателей для космического самолёта Алан Бонд: «Со времени запуска первого спутника в 1957 году, каждая ракета и каждый ракетный двигатель, создаваемые Советами, всегда соответствовали современному уровню развития и всегда были наголову выше всех остальных разработок аналогичных систем в мире. Вариант «Энергии» с шестью и даже с восемью ускорителями будет ещё более мощным. Большая гибкость системы «Энергия» обеспечивает довольно широкие, далеко идущие возможности. Она является тем самым звеном, которое во много раз повышает потенциал остальной космической техники».

Сотрудник Университета Дж. Вашингтона, доктор Джон Логсдон: «СССР имеет теперь возможность выполнять те космические задачи, которые останутся недоступными для США даже тогда, когда вновь начнутся полёты американских космических кораблей многоразового использования. Для того, чтобы приступить к выводу на орбиту таких же полезных грузов, на какие рассчитана советская ракета, Соединённым Штатам потребуется от шести до десяти лет».

Нужно отметить, что такое «прозрение» случилось у, обычно скупых на похвалу всему советскому, западных экспертов на фоне чудовищной катастрофы «Челленджера». Тогда стало уже понятно, что гигантский сегмент американской космонавтики оказался в тупике и полёт «Энергии» вывел нашу космонавтику на «три корпуса» вперёд. Правда, впереди был ещё пуск «Бурана» и восторженные комментарии западных «друзей» уже стали сдабриваться животным страхом. Впрочем, вернёмся к цитатам по профилю публикации.

Руководитель НАСА Джеймс Флетчер: «Советский космонавт ступит на Марс раньше американского и, вероятно, это произойдёт к концу нашего века. В пользу СССР говорят такие достижения, как запуск ракеты-носителя «Энергия», способной вывести на орбиту до ста тонн, а так же рекорд пребывания в космосе, принадлежащий советским космонавтам».

Выдержка из опубликованных исследований Стенфордского университета: «…при объединении усилий и использовании носителя «Энергия» пилотируемый полёт на Марс может потребовать только 60 млрд. $, а не 400 – 500, как полагает Национальное космическое агентство. «Энергия» - это единственная возможность добраться до Марса в обозримые сроки и за приемлемую цену».

В конце 80-х, когда над «Энергией» нависла угроза полного забвения, наше руководство, в лице научно-производственных кругов, пытались спасти проект. Ракету-носитель пытались приспособить под международные проекты. В частности, под эгидой ООН, с помощью международной кооперации, планировалось осуществить серию марсианских миссий.

Эти планы вызвали большой интерес у целого ряда стран – США, Японии, Китая и стран Евросоюза. Казалось, что «Энергию» ждёт счастливая участь быть спасённой, как был спасён целый ряд оборонных проектов. Как мы знаем, в «лихие 90-е» новейшие образцы вооружений, иногда за бесценок, экспортировались за рубеж, в то время как, Российским вооруженным силам не доставалось ничего. Тем не менее, многим оборонным предприятиям удалось сохранить производство новейших вооружений и пережить эти страшные годы.

К сожалению, «Энергию» ждала иная участь. Эта ракета настолько напугала определённые круги в Соединённых Штатах, что искушение навсегда похоронить ракету-носитель №1 оказалось сильнее, чем дивиденды от всевозможных международных проектов.

Свёртывание программы «Энергия-Буран» – тема для отдельного повествования. Мы же зададимся вопросом о воссоздании производства ракеты-носителя «Энергия». Ничего в мире более эффективного, в плане создания сверхтяжёлых ракет-носителей, за последние 30 лет сделано не было. Возьмём хотя бы показатель выводимого на орбиту полезного груза по отношению к массе ракеты. У всех известных ракет этот показатель редко превышает 3%. Например, у «Титана-4» - 2,3, у «Дельты-4» - 2,8, у «Протона» - 3,1 и так далее. У «Энергии» процентное отношение полезного груза равно 4%! Поражает гибкость «Энергии» под поставленные задачи по выведению грузов на орбиту. Если «Энергия-М» могла выводить на орбиту «всего лишь» - 30 – 35 т, то «Энергия» в варианте «Вулкан» - до 200 т полезной нагрузки!

Дифирамбы этой ракете можно произносить бесконечно. Я лишь хочу подвести Читателя к мысли о том, что другой альтернативы, кроме как «реанимировать» «Энергию» у нас нет. Во-первых, рано или поздно российская (и мировая) космонавтика столкнётся с проблемой создания ракет-носителей сверхтяжёлого класса. Во-вторых, идти по проторенной дорожке всегда легче, ведь практически вся производственно-технологическая инфраструктура более-менее сохранена. «Живёт и здравствует» в городе Самаре завод-изготовитель «Энергии» Ракетно-космический центр «Прогресс». Функционирует и не без успеха в Воронеже изготовитель вышеупомянутых двигателей РД-0120 АО «Конструкторское бюро химавтоматики». Тоже самое можно сказать про НПО «Энергомаш», которое в подмосковном городе Химки до сих пор производит двигатели нулевой ступени РД-170. Ну и наконец, по сей день успешно работает предприятие-создатель этой ракеты – НПО «Энергия».

Более того, нам не надо с ноля создавать пусковую инфраструктуру, которая в свою очередь досталась нам от ракеты Н-1. Правда, для адаптации пусковой инфраструктуры под «Энергию» советским технологам пришлось основательно вложиться, а тут, как вы понимаете, переделывать ничего не придётся. Придётся только кое-что восстанавливать заново, а вот размеры этого «кое-что» напрямую зависят от даты начала «реанимации» этой инфраструктуры. Напомню, что прошло уже почти 30 лет…

Мне вспоминаются слова одного старенького инженера-ракетчика, в литературном изложении они примерно такие: «Когда у тебя исчез автомобиль – это не беда. Вот когда исчезает завод по производству этих автомобилей вместе с рабочими и инженерами. Плюс ещё к тому, «вор прихватил» смежные предприятия вместе с АЗС и станциями техобслуживания – вот это беда! Ракеты же, сынок, и создаются чтобы «исчезать», поэтапно, ступенями, на разном расстоянии от Земли». Мысленно аплодирую его словам стоя! Далее, вперемешку с нелитературными «эпитетами» цитировался Булгаков о «разрухе в наших головах». Также слова Михаила Афанасьевича упоминались, когда подымалась тема о якобы пропавшей проектной документации на «Энергию» - «рукописи не горят». По существу вопроса было сказано следующее: «Если кто-то утверждает, что невозможно сделать носитель по причине, якобы исчезнувшего проекта, тот ничего не понимает в проектировании и в производстве ракет».

Не согласиться тут тоже трудно. Проектная документация - это не какой-нибудь фолиант, «испариться» она не может. Для примера, можно вспомнить стратегический бомбардировщик Мясищева М-4. Для его производства, на Авиастроительный завод №23 было направлено около 55 тысяч чертежей, которые до этого многократно тиражировались. Аналогичный объём чертежей и у «Энергии». Куда такая масса проектной документации может подеваться? По-моему, это нелепая отговорка для высоких руководителей, которые, мягко говоря, несведущи в ракетостроении.

Кто думает, что у сверхтяжелой ракеты не будет другой работы, кроме как осваивать Дальний космос, тот глубоко ошибается. В Ближнем космосе у «Энергии» работы – непочатый край. Взять хотя бы, выведение спутников на довольно таки энергоёмкую геостационарную орбиту. «Энергия» способна вывести на неё «всего лишь» 18 тонн. Так к слову, почувствуйте разницу, на поверхность Марса – 25 тонн, а на орбиту вокруг Земли – 18. Кажется, что «шутки» небесной механики безграничны.

Вернёмся к теме запуска на геостационарную орбиту. Как вы думаете, 18 тонн на такой орбите – это много или мало? На самом деле, нужно задаться вопросом, что определяет долговечность спутника на данной орбите? Ведь аппарату нужно практически постоянно корректировать своё местоположение. Для этого ему нужно иметь большой запас рабочего тела, а это и подразумевает большую массу спутника. Если всё-таки, полезный груз получается избыточный, то можно подумать о кластерном запуске спутников – это когда за один пуск выводятся на орбиту несколько космических аппаратов.

Нужно ещё помнить, что выведение на орбиту нескольких спутников одной ракетой, как правило, дешевле, чем вывод каждого спутника по отдельности. Сразу же напрашивается аналогия о автобусе и количестве легковых автомобилей, которое потребуется чтобы перевезти столько же пассажиров, сколько и автобус. Тут вопрос рентабельности. Вообще, в ракетной технике есть закономерность, чем больше общая масса ракеты, тем больше процент выводимого на орбиту полезного груза. Объяснять, почему это так, по-моему, не надо. Не удивительно, что у «Энергии» и у «Сатурна-5» этот показатель самый большой, как упоминалось выше – 4%.

Нужно ещё отметить, что кроме геостационарной орбиты есть не менее энергоёмкая геосинхронная орбита. Отдельно нужно сказать про выведение на орбиту тяжёлых модулей и платформ. Теоретически можно было бы обойтись менее грузоподъёмными носителями, но сборка на орбите чрезвычайно технологически трудное и поэтому, дорогое занятие. Этому служит подтверждение, что американцы в лунной программе «Аполлон» категорически отказались от двухпусковой схемы, поэтому и пришлось «городить» такого «монстра», как «Сатурн-5».

Что касается использования «Энергии» для марсианских миссий, то тут у мировой космонавтики открываются практически неограниченные возможности. Мы даже не берём в расчёт высадку Человека на Красную планету. Поверьте, и без высадки, для «Энергии» найдётся много работы. Начнём с того, что энергетические возможности такой ракеты вполне позволяют осуществить миссию по забору марсианского грунта и доставки его на Землю, как это сделала в 1970 году «Луна-16». Правда, в отличие от лунной станции (которая выводилась ракетой-носителем «Протон-К»), марсианская станция может быть значительно крупнее.

Более того, допускается возможность при одном пуске обеспечить доставку на Марс нескольких аппаратов. Следует ещё сказать, что такому массивному аппарату вполне «по плечу» глубокое бурение поверхности планеты с целью достижения криолитосферы, поиска воды и ископаемой жизни. Далее, запас мощности «Энергии» позволяют проигнорировать астродинамику, то есть, отказаться от сложных и поэтому рисковых траекторий и использовать так называемые «прямые» схемы полёта.

Если же рассматривать многопусковые схемы полёта «Энергии», то самое «скромное», что приходит на ум – это возможность пилотируемого облёта Марса. Причём, космонавты отнюдь не будут на корабле пассивными «туристами». Согласитесь, есть огромная разница в том, что робот-манипулятор будет работать на поверхности планеты в онлайн-режиме, а не подчиняться командам с Земли, допустим, с сорокаминутной задержкой. Нахождение космонавта на марсианской суточной орбите (без посадки на планету) делает миссию не только энергетически более выгодной, но и делает её на порядок безопаснее.

Завершая тему про эту воистину легендарную ракету, хочется сказать следующее, может быть не стоит нам «изобретать велосипед»? Имеются в виду разработки сверхтяжёлых ракет-носителей «Амур-5» и «Енисей-5», которые с переменным успехом ведутся с 2008 года. У разработчиков этих носителей есть «железная» отговорка, мол полезный груз у этих ракет будет расположен классическим способом, а не как у «Энергии» в боковом контейнере. Допустим, но как говорят, дорогу осилит идущий. Нельзя ли возобновить работы по производству вышеупомянутых двигателей РД-0120? Эти двигатели как раз фигурируют у проектируемых ракет, но работы эти не ведутся вовсе.

Очевидно Роскосмосу нужно признаться, что в обозримом будущем у России сверхтяжёлой ракеты не будет. Более того, нужно честно сказать, что не будет ни каких реальных шагов по её созданию. Тогда нужно задастся вопросом: может быть для мировой космонавтики сверхтяжёлый носитель не нужен? Китайцы и американцы так не думают. В этих странах работы в этом направлении идут полным ходом. Если запуск китайской ракеты «Великий поход-9» дело будущего (2028 год), то пуск американского носителя SLS запланирован практически «на завтра» (2018 год). Что касается наших планов и самое главное, что реально будет сделано в этом направлении, по сей день так и остаётся загадкой.

БМ ругался на первую картинку.

Источник: http://forum.topwar.ru/topic/8433-вперед-на-марс-часть-5-«энергия»-которую-мы-утратили/