«Аэрокосмическая техника» 1991 №11, с.80-84

© American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc., 1991. Все права сохраняются.

¹⁾ Aerospace America, 1991, No. 4, pp. 40 — 45. Перевод И.И. Брянова.

В начале 80-х гг. в ВВС пришли к выводу о возможности создания на основе маршевых двигателей КЛАМИ "Спейс шаттл", а также имевшихся в тот период конструкционных разработок и материалов одноступенчатого носителя для доставки грузов на околоземную орбиту. В декабре 1982 г. Председатель совета директоров фирмы Boeing Т. Уилсон объявил о том, что фирма готова приступить к разработке и изготовлению в масштабе 1:2 опытного образца одноступенчатой ракеты-носителя SSTO при общей стоимости работ 1,4 млрд. долл. Однако ВВС не пошли на заключение этого контракта и вместо него были подписаны несколько контрактов с фирмами на дополнительные исследования по технико-экономическому обоснованию многократно используемого космоплана с ракетными двигателями. Первоначально предлагалось исследовать одно— и двухступенчатые аппараты, но полученные результаты показали неоспоримые преимущества одноступенчатого носителя, как более экономичной и надежной космической транспортной системы.

Результаты этих предварительных исследований стали предпосылкой развертывания в 1986 г. Программы НИОКР по созданию космоплана NASP — гиперзвукового самолета и космического аппарата. Хотя в программе NASP основные усилия сконцентрированы на исследованиях, связанных с разработкой прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД), миллионы долларов также вкладывались в проектирование аппарата с ракетными двигателями на основе уже существовавших технических решений.

Одна из трех секций ракетного аппарата SSTO многократного использования, построенная в рамках программы NASP, имела массу около 2300 кг. Ее разработка и изготовление обошлись в 15 млн. долл., т. е. всего лишь 6500 долл./кг. Конструкция аппарата SSTO даже при столь жестких ограничениях, накладываемых на ее полную массу, куда более надежная, чем у одноразовых носителей с тонкой уязвимой к повреждениям оболочкой. Поэтому бытовавшее в свое время мнение, что конструкция аппаратов SSTO неизбежно будет отличаться низкой надежностью, оказалось не более чем иллюзией. Эти предварительные опытно-конструкторские работы, несмотря на многочисленные издержки, связанные прежде всего с изготовлением экспериментального образца, позволили существенно расширить представление об особенностях подобных конструкций, предназначенных одновременно для хранения криогенных компонентов топлива и противостояния тепловым нагрузкам при возвращении аппарата на Землю.

С помощью численных методов аэродинамики, разработанных в рамках программы NASP, исследуются аэродинамические характеристики аппарата на баллистическом участке движения в атмосфере при возвращении на Землю.

Результаты НИОКР, параллельно проводимых в рамках программы NASP и Программы разработки носителей нового поколения (ALDP), как оказалось, возможно использовать и при создании надежного, удобного в эксплуатации аппарата SSTO с ракетными двигателями. Прежде всего здесь следует иметь в виду результаты выполнения программы NASP, полученные, например, в области создания новых материалов, разработки конструкционных систем, в частности конструкции криогенных баков, различных вспомогательных систем, ракетных двигателей, а также успехи в области вычислительной аэродинамики и разработки автоматизированных средств проектирования, которыми можно воспользоваться напрямую в проекте ракетного SSTO. В частности, разработана технология изготовления легких панелей из композиционного материала типа углерод — углерод, способных выдерживать высокие температуры (1700 К) при спуске аппарата в атмосфере, легких баков из термопластичного материала для хранения жидкого водорода, методов расчета процессов в движителе, установленном на баллистической ракете. Представляют большую ценность новые производственные технологии, концепции эксплуатации, а также материалы, например, алюминиево-литиевый сплав, разработанные в рамках программы ALDP.

Не отказываясь от применения предшествующих конструкторских разработок по аппарату SSTO, Управление программой стратегической обороны акцентирует свое внимание прежде всего на апробированных в рамках программ NASP и ALDP технических решениях, которыми можно воспользоваться при создании ракетного носителя SSTO. Разработчики быстро поняли, что более низкие температуры и скоростные напоры, которыми отличаются траектории полета ракет от траекторий движения аппаратов с ПВРД, позволяют избежать применения новейших систем и материалов, тем более опыт работы с ними еще отсутствует. Для изготовления топливных баков и конструкционных элементов ракетного носителя вполне пригодны такие материалы и изделия из них, как графито-эпоксидные композиты, композиты с матрицей из титана, алюминиево-литиевые сплавы, панели с сотовой структурой из алюминия или титана. Условия эксплуатации позволяют ограничиться пассивной системой охлаждения конструкционных элементов, обеспечивающей большой запас прочности. Вполне пригодны также успешно применяющиеся на летательных аппаратах (как на самолетах, так и на космических

При оценке массовых характеристик аппаратов SSTO па основе имеющихся данных по другим летательным аппаратам следует учитывать возможность использования последних достижений техники и технологии, благодаря которым удастся достигнуть относительного снижения сухой массы SSTO.

системах) композиционные материалы типа углерод-углерод, используемые в системе теплозащиты многократного применения, а также другие экономичные в обслуживании системы теплозащиты.

В центре внимания разработчиков двигателей находится турбонасосный агрегат (ТНА) средней производительности, отличающийся относительно низким рабочим давлением. В ТНА будут использованы гидростатические подшипники, имеющие большой ресурс. В качестве ракетных двигателей рассматриваются усовершенствованный вариант маршевого двигателя КЛАМИ "Спейс шаттл", модификация двигателя RL-10, применявшегося многие годы на носителях "Центавр", а также относительно простой ракетный двигатель, разрабатываемый в рамках программы NASP. В этом двигателе предполагается использовать либо традиционное сопло Лаваля, либо кольцевое сопло с центральным телом, интенсивные испытания которого проводились два десятилетия назад.

Применение в основном материалов, по которым уже накоплен определенный опыт, наряду с тщательно отбираемыми новейшими разработками в области материаловедения создает базис для решения технических задач ближайшего будущего, подобных тем, на которые ориентировались в свое время программы YF-16 И SR-71. Как и при создании этих опытных образцов, в программе разработки ракеты SSTO закладывается такой же запас грузоподъемности (обычный для военных самолетов). В практике подобных конструкторских работ принято закладывать большие запасы грузоподъемности, чтобы неизбежное в ходе доработки конструкции увеличение массы аппарата не привело к снижению грузоподъемности, установленной техническими условиями. Параллельно прорабатываются и другие аппараты с высоким запасом по различным характеристикам и высокой надежностью, на которых предполагается проводить летные испытания с неработающим одним двигателем, а также испытания систем аварийного покидания аппарата на любых высотах, подобные испытаниям, проводимым с минимальным риском на самолетах.

Хотя грузоподъемность, установленная Управлением программой стратегической обороны в технических условиях, допускает возможность ориентироваться на уже имеющиеся технические системы, новейшие технические разработки программ NASP и ALDP являются серьезными предпосылками последующих усовершенствований аппарата. Возможность относительно "безболезненного" изменения размеров ракетной системы в сочетании с применением новейших технических систем станет хорошей основой для последующего повышения грузоподъемности аппарата. Здесь следует заметить, что ракета SSTO будет иметь меньшую сухую массу в сравнении с аналогичным по грузоподъемности аппаратом, но имеющим самолетную компоновку. Сухая масса служит своеобразным индикатором затрат, связанных с разработкой, изготовлением и эксплуатацией аппарата, поэтому в совершенствовании систем и агрегатов ракеты SSTO заложен потенциал будущего повышения экономической эффективности.

Пытаясь снизить затраты, мы должны руководствоваться накопленным опытом разработки самолетных конструкций и систем обеспечения полетов с учетом "уроков, которые нам преподали" запуски в космос. Можно сказать, что конструкции вполне пригодных для эксплуатации аппаратов SSTO и их двигательных установок уже на подходе, однако нельзя не принимать во внимание здоровую дозу скептицизма, связанную с затратами на эксплуатацию, установленными техническими условиями программы. Чтобы снизить затраты, разработчики SSTO стремятся к поиску простых конструкторских решений, приспосабливают эти аппараты к условиям эксплуатации и технического обеспечения, характерным для самолетов, и, что самое главное, налаживают высокоэффективное управление разработкой проекта, чутко реагирующее на любые изменения ситуации.

Выбранная фирмой Rockwell International компоновка предназначена для вертикального взлета и горизонтальной посадки.

Удельная стоимость секции летательного аппарата SSTO, проектируемого по традиционной схеме ракеты-носителя составила около 6500 долл/кг.

Сложившаяся практика, например, в ходе реализации программы "Спейс шаттл" или проектов современных носителей одноразового применения показывает, что достигаемый высокий уровень затрат предопределяется такими факторами, как большая сухая масса аппарата, применение нескольких двигателей и, в частности, двигателей сложной конструкции и различных типов, усложнение схемы (несколько носителей) и конструкции аппарата. Все эти решающие в формировании общего уровня затрат аспекты отражены в технических условиях на разработку носителя SSTO: небольшая сухая масса, возможность многократного использования всех систем и агрегатов, одноступенчатая схема, баки для жидких кислорода и водорода, имеющие интегральную компоновку. В отличие от КЛАМИ "Спейс шаттл", в котором применяются пять различных типов двигателей, в носителе SSTO все двигательные системы — двигатели системы стабилизации, системы маневрирования на орбите, маршевые двигатели и вспомогательные энергоустановки — работают по схеме ЖРД на криогенных компонентах кислород — водород. Эти двигатели отличаются технологичной конструкцией и относительно небольшой массой, а также низким рабочим давлением компонентов.

Другое направление снижения затрат связано с реализацией авиационной системы эксплуатации и технического обслуживания. И, возможно, наиболее важным является условие надежного аварийного прекращения полета, которое неизбежно сказывается на общих затратах. Согласно данным Отдела технической экспертизы при конгрессе США, неполадки и аварии современных космических транспортных средств приводят почти к удвоению суммарных расходов США на запуски космических аппаратов. Ракеты SSTO благодаря присущей им высокой надежности позволят снизить эти потери. Некоторые аппараты по замыслу их создателей в случае отказа одного из двигателей смогут успешно завершить полет, а при отказе двух двигателей — совершить безопасную аварийную посадку, подобно обычному пассажирскому самолету. Еще менее вероятной представляется гибель экипажа, поскольку в отличие от традиционных ракетных носителей аппараты SSTO будут оборудованы самолетной системой катапультирования, применение которой возможно на высотах, меньших 15 000 м, как при наборе высоты, так и при спуске аппарата.

Не менее важным фактором снижения эксплуатационных затрат является богатый опыт, накопленный разработчиками и конструкторами авиационной техники, в частности, по выбору такого запаса грузоподъемности, при котором обеспечивается большой ресурс и надежность систем и агрегатов, а также по созданию систем и технологий быстрой заправки, снаряжения и подготовки к следующему полету с минимально возможным использованием нестандартного оборудования и установок. Разработчики аппаратов SSTO применяют встроенные диагностические средства и оборудование с автоматическим контролем режима работы, новейшее бортовое радиоэлектронное оборудование, электрическую систему приводов органов управления, робототехнические средства, экспертные системы, автоматические системы планирования полета, легкозаменяемые агрегаты, системы и унифицированные блоки полезной нагрузки.

В последнее десятилетие субсидируемые ВВС США работы, проводимые, например, по проектам R&M 2000 и PAVE PILLARS, существенно обогатили опыт применения подобных систем в авиации. Все разработчики ракетных носителей SSTO используют результаты этих многомиллиардных вложений в развитие и совершенствование разного рода авиационных систем. В обстоятельном исследовании, проведенном фирмой Aerospace Corp., выявлены системы и технологии, разработанные в рамках авиационных программ и программы ALDP, которые позволят существенно снизить общее время полета аппарата SSTO.

В принципе нет препятствий для создания

В конце 60-х гг. фирмой Rocketdyne была проведена серия из 300 стендовых испытаний ракетного двигателя, имеющего сопло с центральным телом и рекомендуемого в настоящее время для применения в силовой установке аппарата SSTO.

простого аппарата, ориентированного на авиационную технологию обслуживания. Трудность состоит в том, чтобы выйти на приемлемый уровень затрат. Чтобы достичь высокой экономической эффективности, следует идти проторенным авиационными программами путем: построение экспериментального и опытного образцов, летные испытания с постепенным усложнением программы полета, сдаточные испытательные полеты перед заключением контракта на закупку серийных изделий и даже возможное проведение сравнительных испытаний аппаратов различных разработчиков. Применение подобной принятой в авиации стратегии является необходимым условием надежности полетов будущего аппарата с предельно небольшим временем предполетной подготовки и приемлемым уровнем расходов на эксплуатацию и техническое обслуживание.

К числу впечатляющих примеров быстрого создания опытного образца аппарата в условиях тщательной организации НИОКР следует отнести разработку фирмой Lockheed самолета SR-71 "Блэкберд". Программы SR-71 и SSTO имеют много общего. Прежде всего габариты и сухая масса аппаратов примерно одинаковые. Обе программы являются в определенном смысле революционными. Несмотря на применение нового по тем временам конструкционного материала (титана) и двигателей, рассчитанных на число Маха 3,3, первый вариант SR-71 полетел спустя всего лишь 30 мес. после заключения контракта. Для сравнения отметим, что в конструкции аппарата SSTO предполагается использовать весьма ограниченное число новейших технических решений, и поэтому его изготовление, по-видимому, будет представлять более простую задачу.

В 1986 г. Комиссией Пэкарда по организации проведения работ оборонного назначения была признана важной роль этапа создания опытного образца. Сворачивание программы А-12 ВМС США во многом обусловлено игнорированием рекомендаций Комиссии: "Наибольшим приоритетом должны наделяться программы изготовления и испытания опытных образцов, предшествующие разработке натурных аппаратов. На этой стадии НИОКР должно развернуться острое соперничество и создан режим наибольшего благоприятствования в получении нужной информации. Такое акцентирование этапа создания опытного образца должно позволить нам поднять аппарат в воздух и одновременно оценить, во сколько будущий аппарат обойдется, прежде чем мы заключим контракт на закупку серийных изделий." Если ориентироваться на технические решения, по которым накоплен определенный опыт, то создание в относительно короткий срок опытного аппарата SSTO при сравнительно низких затратах — задача вполне выполнимая.

Подытоживая, мы можем сказать, что залогом существенного снижения затрат является сочетание эффективного применения новейших технических достижений, ориентации на относительно простые конструкторские решения и схемы, использования опыта и технологии эксплуатации авиационных систем, обязательного присутствия этапа создания опытных образцов и тщательной организации проводимых работ. Генерал Дж. Паттон говорил: "Никогда не говорите людям, как что-либо сделать. Говорите им, что нужно сделать, и они удивят вас своей изобретательностью." Управление программой стратегической обороны сформулировало лишь основные функциональные принципы, которые должны быть положены в основу аппарата SSTO, предоставляя возможность разработчикам следовать правилу Паттона и создать работоспособные, относительно простые и недорогие летательные аппараты.