Среди концепций мощного носителя нового поколения можно выделить "Шаттл С", "Симметричный шаттл", "полутораступенчатую" версию симметричного "Шаттла" и схема, являющаяся развитием ALS.
«Аэрокосмическая техника» 1991 №4
629.784
''Aerospace America, 1991, No. 3, pp. 32-35. Перевод A. H. Гуляева.
© American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1991. Все права сохраняются.
Программа "Ракета-носитель нового поколения" (программа ALS), просуществовавшая до декабря прошлого года, дала мощный импульс развитию ракетной техники. Совместный проект NASA и Управления космических систем ВВС США охватывал различные области науки и техники (включая радиоэлектронику и материаловедение), но основное внимание уделялось разработке главного двигателя носителя. В конце 1990 года название программы изменилось, и сегодня она носит название "Программа опытно-конструкторских работ по созданию ракеты-носителя нового поколения" (программа ALDP). Согласно рекомендациям Консультативного комитета по разработке космических программ, цели новой программы несколько отличаются от целей ее предшественницы.
Консультативный комитет, возглавляемый председателем правления и старшим администратором фирмы Martin Marietta Нормом Аугустином, был создан летом 1990 года с целью "содействия администрации NASA в выработке общих принципов осуществления программы космических исследований США в последующие десятилетия". Иными словами, временное прекращение полетов КЛАМИ "Спейс шаттл" (из-за выявленных утечек водорода), неудача с телескопом им. Хаббла (обусловленная дефектом главного зеркала) и другие инциденты вызвали необходимость привлечения независимых экспертов для контроля за деятельностью NASA (его целями, структурой и уровнем квалификации персонала). Консультативный совет совместно с одним из руководителей NASA Ричардом Трули представил доклад вице-президенту Куэйлу, занимающему пост председателя Национального совета по космической технике.
Главной темой доклада стали проблемы административного управления и стратегические цели NASA. В перечне из девяти пунктов, охватывающих невоенные программы, основной упор сделан на возможности применения системы "Спейс шаттл" или ее модификаций в национальных программах космических исследований. В докладе отмечается чрезмерная зависимость космических программ от этого транспортного средства доставки грузов в космос, чрезвычайная сложность этой системы, обусловливающая частые срывы графиков полетов. Кроме того, применение шаттлов связано с большими затратами, а статистика отказов, свидетельствуют о возможности потери еще одного корабля в течение нескольких ближайших лет (что предполагает гибель нескольких космонавтов и значительное сокращение объема пилотируемых полетов)(!). Вместе с тем отмечаются такие достоинства этого носителя, как "возможность широкого применения для осуществления пилотируемых космических полетов" и многократность использования. Взвесив все "за" и "против", Консультативный комитет сделал следующий вывод: КЛАМИ "Спейс шаттл" следует использовать лишь в тех случаях, когда для выполнения программы полета необходимо присутствие человека.
Признавая уникальные возможности, предоставляемые системой "Спейс шаттл", члены Консультативного комитета заключили, что без нее "не обойтись... в следующем десятилетии, а возможно и позже", в частности, при сборке и эксплуатации орбитальной станции. Консультативный комитет настаивает на изменении конструкции станции, чтобы максимально приспособить ее для проведения медико-биологических исследований и исследований (в частности, материаловедческих) в условиях невесомости, а также для обслуживания станции шаттлами и облегчения работы космонавтов в открытом космосе.
Члены Консультативного комитета считают, что сокращение числа ежегодных полетов продлит общее время эксплуатации существующих шаттлов. Предполагается, что парк шаттлов составит четыре единицы (включая новый корабль "Эндевор"). Постоянная интенсивность запусков в сочетании с повышением их безопасности подразумевает повышение надежности шаттлов при одновременном сокращении стоимости каждого запуска (за счет уменьшения численности обслуживающего персонала). Три корабля, которые останутся после возможной потери одного из четырех шаттлов, смогут обеспечить программу (в соответствии с графиком, предусматривающим сокращенное число полетов). Это подтверждает опыт, полученный после трагической гибели "Чэлленджера". Члены Консультативного комитета поддержали идею создания базы резервных элементов, позволяющей быстро построить новый шаттл или быстро отремонтировать действующий в случае необходимости.
В соответствии с рекомендациями Консультативного комитета средства, выделенные на постройку пятого шаттла, следует потратить на опытно-конструкторские работы по созданию мощного носителя нового поколения. В докладе отмечается, что результаты многочисленных исследований (в том числе и по заказу военных) свидетельствуют о необходимости создания такого носителя, однако конкретного решения по этому поводу принято не было. Для различных видов полезных нагрузок, рассмотренных в этих исследованиях, необходим носитель, способный доставлять 68 т груза на низкую околоземную орбиту (полезная нагрузка КЛАМИ "Спейс шаттл" составляет 25,0 т). По мнению членов Консультативного комитета, создание нового мощного носителя является "жизненно необходимым". Этот носитель должен быть надежным, простым в обращении и сравнительно дешевым. Его эксплуатацию предполагается начать уже в конце 90-х годов, с тем чтобы он "смог быть задействованным при создании орбитальной станции на всех стадиях сборки, за исключением начальной".
Среди концепций мощного носителя нового поколения можно выделить "Шаттл С", "Симметричный шаттл", "полутораступенчатую" версию симметричного "Шаттла" и схема, являющаяся развитием ALS. |
Согласно замыслу Консультативного комитета новый носитель должен обладать определенной универсальностью. В случае необходимости его предполагается использовать в пилотируемом варианте. Так, если " Спейс шаттл" по каким-то причинам нельзя будет использовать, новый носитель сможет осуществлять смену экипажа орбитальной станции и проводить спасательные работы. Консультативный комитет выступил против использования американскими фирмами иностранных носителей в целом и советского носителя "Энергия" в частности, поскольку в этом случае доступ США в космос будет зависеть от других стран. Члены Консультативного комитета пришли к выводу о необходимости начать опытно-конструкторские работы по созданию нового носителя. Это решение продиктовано сомнениями в возможностях шаттлов обеспечить сборку орбитальной станции и последующие программы с участием космонавтов.
В ответ на доклад Аугустина Куэйл поручил командованию ВВС и руководству NASA представить альтернативные концепции мощного носителя нового поколения в Национальный совет по космической технике, а также в Административное и бюджетное управление к началу марта 1991 г. Эти концепции родились в процессе работы по программе ALDP, а также в ходе проводившихся NASA исследований возможности создания мощных носителей на базе системы "Спейс шаттл". По словам Уэйна Литтлза, заместителя директора НИЦ им. Маршалла (NASA), возглавляющего Отдел тяжелых носителей, представленные концепции значительно отличаются друг от друга. Так, концепция, построенная в развитие системы "Спейс шаттл", предусматривает максимальное использование систем и агрегатов шаттла, что сулит сокращение стоимости и сроков выполнения опытно-конструкторских работ, хотя при этом могут быть и унаследованы присущие системе "Спейс шаттл" недостатки: высокая стоимость запуска, повышенный риск и большие затраты времени на подготовку корабля к следующему полету (которых Консультативный комитет предпочел бы избежать). Вместе с тем альтернативные проекты предусматривают начать разработку нового носителя "с нуля".
Одна из предложенных концепций, находящихся в русле схемы "Спейс шаттл", представляет собой вариант, получивший название "Шаттл С". На этом носителе вместо обычного орбитального корабля предполагается разместить контейнер с полезной нагрузкой, оснащенный двумя или тремя маршевыми двигателями
 Оболочка в виде полусферы, изготовленная в рамках программы ALDP на фирме Martin Marietta центробежным формованием из алюминиево-литиевого сплава на сферической оправке. Такая технология дает возможность сократить затраты на изготовление, а также избежать трудоемкой проверки качества сварных швов. |
С конца 1990 года специалисты NASA работают над проектом еще одного грузового варианта шаттла. Этот вариант предусматривает размещение полезной нагрузки в обтекателе, расположенном над топливным баком (а не сбоку, как у системы "Спейс шаттл"). Основные ЖРД предполагается разместить под топливным баком. В качестве стартовых ускорителей на этом носителе предполагается использовать обычные РДТТ, РДТТ нового поколения (в настоящее время находящиеся в стадии разработки) или новые стартовые ЖРД. В случае если Консультативный комитет примет решение, существенно ограничивающее использование готовых системы "Спейс шаттл", эти два варианта носителей могут остаться нереализованными.
Литтлз отмечает, что маршевые двигатели орбитального корабля "Шаттл", использование которых предусматривается рассмотренными выше проектами, впоследствии могут быть заменены более современными маршевыми двигателями STME, разработка которых осуществляется в рамках программы ALDP. Эти двигатели также будут работать на жидких водороде и кислороде, однако в отличие от маршевых двигателей орбитального корабля "Спейс шаттл" с высоким давлением в камере сгорания, эти двигатели будут иметь упрощенную конструкцию, во многом аналогичную конструкции двигателя J-2 верхней ступени ракеты "Сатурн". В целях повышения безопасности и надежности предполагается исключить эксплуатацию STME на предельных режимах. Заявленная сила тяги нового двигателя
 Испытания элементов системы ALDP, подобных этому блоку, изготовленному в масштабе 1:2 на фирме Boeing, позволят установить их пригодность для ремонта и повторного применения. |
Применение технических новшеств, разработанных в рамках программы ALDP, при создании новых носителей на базе КЛАМИ "Спейс шаттл" увеличит, по мнению Литтлза, различия между системой "Спейс шаттл" и создаваемыми на ее базе носителями. В случае если при повторном использовании маршевых двигателей удастся компенсировать затраты на разработку средств возвращения этих двигателей на Землю, маршевые двигатели будут помещены в специальный модуль (в нем может быть размещено также радиоэлектронное оборудование носителя), который будет возвращаться на Землю после запуска. Интенсивное развитие технологий получения алюминиево-литиевых сплавов наряду с технологией сварки таких сплавов создает предпосылки для изготовления топливного бака целиком из алюминиево-литиевого сплава, а не из почти чистого алюминия, как сейчас. Масса пустого топливного бака "Шаттла" составляет 30 т. Литтлз считает, что использование алюминиево-литиевого сплава позволит уменьшить массу бака на 0,9 — 3,2 т (наименьшая из указанных цифр может быть реализована только за счет замены одного материала на другой, а наибольшая — за счет использования новых технологий, которые станут доступными для обработки алюминиево-литиевых сплавов).
 ЖРД STME на криогенных компонентах кислород — водород должен развивать максимальную тягу 2600 кН, отличаться высокими характеристиками и иметь сравнительно низкую стоимость. |
В рамках программы ALDP создано множество технических новшеств, предназначенных для использования на новом носителе: модульное радиоэлектронное оборудование, интерфейсы для подключения радиоэлектронного оборудования отсека полезной нагрузки к радиоэлектронному оборудованию носителя, электромеханические силовые приводы, предназначенные для замены гидравлических систем, а также блок пиротехнических зарядов, предназначенный для отделения отработанных ступеней и модулей космического корабля. Здесь предполагается применить принципиально новую систему управления: срабатывание зарядов будет происходить при воздействии лазерного излучения. Главное преимущество системы — возможность ее предстартового испытания (при малой мощности лазерного излучения, недостаточной для срабатывания зарядов).
На другом конце спектра предложенных концепций нового носителя находится схема ALDP, предусматривающая абсолютно оригинальную конструкцию модульного типа. Планируется, что число ступеней и стартовых ускорителей будет определяться видом полезной нагрузки. При изготовлении и предстартовой подготовке такого носителя будут широко использоваться новые технологии. Схема такого носителя наиболее близка к той, которая предусматривалась программой ALS до того, как она была переориентирована в конце 1989 г.
Концепция нового мощного носителя, предложенная фирмой Martin Marietta, является примером удачного воплощения технических новшеств, разработанных в рамках программы ALS. Предполагается, что такой носитель, предназначенный для доставки 100 т полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту, будет состоять из маршевой ступени диаметром 9,91 м, по бокам которой будут расположены два стартовых ускорителя такого же размера. Маршевая ступень будет оснащена тремя ЖРД STME на криогенных компонентах кислород — водород, а каждый стартовый ускоритель — семью такими двигателями. Применение унифицированного ЖРД как в маршевой ступени, так и в стартовых ускорителях — ценное достоинство схемы. Вместе с тем использование керосина позволило бы уменьшить размеры стартовых ускорителей, но ценой потери универсализации систем и агрегатов двигателей. Кроме того, в этом случае потребовались две системы заправки ракеты горючим (жидким водородом и керосином). Обтекатель полезной нагрузки диаметром 14 м предполагается разместить в верхней части маршевой ступени. Высота носителя составит 98 м, что на 13 м меньше высоты "Сатурна V" и на 42 м больше высоты "Спейс шаттла". В случаях сравнительно небольших полезных нагрузок носитель будет оснащен лишь одним стартовым ускорителем или будет иметь маршевую ступень с измененным числом двигателей и уменьшенные твердотопливные стартовые ускорители.
В середине спектра предложенных концепций мощного носителя находятся схемы, которые в меньшей степени используют элементы КЛАМИ "Спейс шаттл", чем в проекте "Шаттл С". Многие из них в качестве опорного элемента конструкции предусматривают использование топливного бака шаттла высотой 46,9 м. Литтлз отмечает, что в большинстве случаев предполагаемый диаметр маршевой ступени планируется сделать равным диаметру внешнего топливного бака шаттла (8,41 м), при этом длина ступени может варьироваться. Благодаря этому станет возможным применить оборудование, используемое при изготовлении шаттлов. В случае если к моменту сборки нового носителя двигатель STME не будет готов, вместо него, согласно этой концепции, временно можно будет использовать маршевый двигатель орбитального корабля "Спейс шаттл".
Носитель, созданный на базе топливного бака шаттла, предполагается оснастить шестью двигателями, расположенными под баком. Четыре из них будут отделяться от корабля подобно двум внешним двигателям ракеты "Атлас". Два оставшихся двигателя доставят космический корабль с полезной нагрузкой на орбиту. Если носитель будет оснащен двигателями STME, масса полезной нагрузки достигнет 22 — 27 т. Однако по мнению одного официального представителя программы ALDP, топливный бак — это всего лишь один из элементов носителя и его использование вовсе не представляется неизбежным.
По словам руководителя программы ALDP полковника Роджера Колгрува, такие промежуточные концепции позволяют подстраиваться под выделяемые ассигнования ценой "перманентного совершенствования" носителя. "Унифицированность и модульность дают возможность безболезненно обновлять не только системы и агрегаты носителя, но и оборудование, применяемое при изготовлении его компонентов".
Колгрув особо подчеркнул то обстоятельство, что в опытно-конструкторских работах по созданию мощного носителя нового поколения принимает участие множество самых разнообразных организаций. Исследования ведутся рядом государственных лабораторий, NASA, Министерством обороны, тремя двигателестроительными фирмами Rocketdyne, Aerojet и Pratt & Whitney, а также фирмами Boeing, General Dynamics и Martin Marietta, занимающимися разработкой конструкции носителя в целом и претендующими на заключение контракта. В этих работах фирме McDonnel Douglas отведена роль субподрядной организации. В течение по крайней мере года три главные фирмы-разработчики должны представить эскизные проекты, после рассмотрения которых будет принято окончательное решение. Ко времени публикации этой статьи в журнале Aerospace America возможно объединение трех двигателестроительных фирм в одну команду для создания опытного образца двигателя STME. Фирма Martin Marietta построила специальный стенд для испытаний систем носителя в г. Уотертон (шт. Колорадо). Здесь предполагается изготавливать и совместно испытывать системы носителя ALDP, а также моделировать режимы их работы. Кроме того, стенд позволит испытывать новые системы и агрегаты для носителей "Титан", изготавливаемых фирмой.
В конце Колгрув особо отметил, что основные усилия прилагаются не в ходе разработки систем и агрегатов собственно носителя, а в увязке систем на основе консенсуса. Разработчики любой системы носителя должны постоянно контактировать с разработчиками смежных систем, чтобы учитывать их мнение при принятии решений. Колгрув добавил, что реализация программы с самого начала поставлена в зависимость от общей стоимости носителя (включая затраты на его изготовление и эксплуатацию). ЭКСПРЕСС-ИНФОРМАЦИЯ КОМИТЕТ АУГУСТИНА НАСТАИВАЕТ НА ИЗМЕНЕНИИ ПЛАНОВ NASA 1)
Консультативный комитет по будущим космическим исследованиям США под председательством Нормана Аугустина (компания Martin Marietta) рекомендовал быстрое развитие новой ракеты-носителя большой грузоподъемности для беспилотных полетов, сокращение запусков кораблей многоразового использования "Спейс шаттл" и реорганизацию космических центров NASA, связанных с Лабораторией реактивного движения. Комитет Аугустина заявил, что проект орбитальной станции будет пересмотрен, но только не за 90 дней, как потребовал конгресс. "Время не так важно, как конечный результат", — заявил Аугустин.