26.04.2015 в 19:04

Фантазия о специализированных ступенях

Современные ракеты-носители рождены для космоса. Земная атмосфера им только мешает. Она требует ставить тяжелые обтекатели на полезную нагрузку, добавлять топливо на преодоление сопротивления воздуха и парирование порывов ветра. Но земная атмосфера не обязательно должна быть помехой. Крылья могут опираться на воздух, создавая подъемную силу, а кислород для двигателей можно получать вместе с воздухом, а не везти его с собой в тяжёлых баках. Что если пофантазировать и создать концепт для выведения полезных грузов на орбиту, используя специализированные ступени?

Исток проблемы

Выход на орбиту — это, главным образом, скорость. Эксперименты по пуску вертикально вверх геофизических ракет в 40-х и 50-х не привлекали особого внимания. Ракета могла подняться на сотни километров, но через несколько десятков минут всё равно падала обратно на Землю. Информационный фурор первого спутника заключался в том, что впервые в истории человечества удалось разогнать рукотворный объект до восьми километров в секунду. Если мы говорим о скорости, то у двигателей должна быть некоторая характеристика, показывающая, насколько хорошо этот двигатель разгоняет наш аппарат. Такая характеристика называется удельным импульсом.
Удельный импульс — это количество секунд, на которое хватит одного килограмма топлива для создания двигателем тяги в 1 Ньютон. Удельный импульс измеряется в секундах или метрах в секунду.

Посмотрим диаграмму значений удельного импульса для разных типов двигателей и разных скоростей полёта:

На дозвуковых скоростях энергию топлива лучше направить в работу турбин или винтов, чем сжигать для создания реактивной тяги. Поэтому сейчас на гражданских самолётах стоят турбореактивные двигатели с высокой степенью двухконтурности и винтовентиляторные двигатели. Максимальное значение удельного импульса делает такие двигатели экономичными, но на них принципиально не получится разогнаться до больших скоростей.
В более широком диапазоне работают турбореактивные двигатели. На них можно стартовать с аэродрома и разогнаться до 2-3 М. Но за это придётся заплатить уменьшением удельного импульса, поэтому такие двигатели сейчас ставятся в основном на военные аппараты, которым не так важна топливная экономичность.
ПВРД — это прямоточный воздушно-реактивный двигатель. ПВРД очень просто устроен и позволяет летать на сверхзвуковых скоростях. Одна беда — нуждается в разгонной ступени или носителе, потому что не работает при дозвуковых скоростях. ПВРД из-за своей простоты широко используется в боевых ракетах.
ГПВРД — это гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель. ГПВРД отличается от ПВРД тем, что в камеру сгорания воздух попадает со сверхзвуковой скоростью. Он просто устроен на картинке, но за этой простотой стоят очень сложные расчёты. ГПВРД испытываются в разных странах последние лет двадцать, но серийных аппаратов с ними пока не делали.
Ну и, наконец, ракетные двигатели на этой диаграмме показывают свою независимость от атмосферы и скорости движения.

Искушение универсальностью

А можно ли сделать универсальный аппарат, который бы смог летать в диапазоне 0-10 М? Самым близким к такому диапазону был SR-71 Blackbird, и он очень наглядно показывает сложность задачи. Для диапазона «всего лишь» 0-3,2 М понадобилось делать гибрид турбореактивного и прямоточного двигателей и создавать новое топливо. Посмотрите схему работы двигателя или видео:

Наш несовершенный мир устроен так, что универсальное устройство будет дороже, сложнее, менее надежным или функционально хуже специализированных, если совмещаемые в устройстве функции не будут родственными. Легко добавить будильник в мобильный телефон — там уже есть часы, экран, клавиатура, батарея и динамик. Но создать гибрид самолёта и автомобиля, или двигатель, способный работать на стоянке, сверхзвуке и гиперзвуке гораздо сложнее.

Постановка задачи

Каких показателей мы хотим добиться, и что будет нас ограничивать?

Полезная нагрузка предполагается в районе 10 тонн. Почему такая цифра? Этого хватит для того, чтобы вывести тяжелый спутник на околоземную орбиту или отправить стандартный спутник на геопереходную орбиту. Слишком маленькая полезная нагрузка очень облегчит нам задачу, но в этом случае возникнет вопрос осмысленности всей системы. Слишком большая полезная нагрузка потребует циклопических и космически дорогих конструкций.
Технические решения выбираются с максимальным уровнем технической готовности, в идеале, имеющие историю серийного производства. Во-первых, это гарантирует принципиальную реализуемость решения. Во-вторых, освоенные технологии должны быть дешевле.
При выборе технических решений также будем избегать гигантизма. Конструкции планетарного масштаба, самолёты-носители с десятками двигателей — всё это может красиво выглядеть, но нереализуемо в ближайшие десятилетия.

При создании нашего концепта будем двигаться «сверху вниз», это должно облегчить процесс принятия решений.

Верхняя ступень

Верхняя ступень будет отвечать за разгон до первой космической скорости. Очевидно, это должна быть ракетная ступень. В качестве топливной пары выберем жидкий кислород и жидкий водород. Они освоены уже давно и достаточно хорошо. Почему именно они? Для верхней ступени крайне важен удельный импульс, а из привычных нам топливных пар только кислород-водород способны дать нам удельный импульс порядка 450 с.
Забегая вперед, скажем, что начальная скорость верхней ступени будет в районе 5 М на высоте ~30 км, т.е. 1500 м/с. Примерный расчёт даёт начальную массу в районе 60-80 тонн в зависимости от массы пустой верхней ступени.

Вторая ступень

Вторая ступень выполняет функцию разгона полезной нагрузки в атмосфере. Для этого ей пригодятся небольшие крылья — они будут создавать подъёмную силу. Но какой двигатель поставить на этот аппарат? Вариант с ракетным двигателем отметаем — он не использует кислород из атмосферы и поэтому имеет слишком низкий удельный импульс. ТРД теряет эффективность после 2 М. Остаётся один вариант — ПВРД. Кроме того, что он способен работать до скоростей в районе 5 М, его простота означает сравнительно небольшую массу, что крайне положительно скажется на характеристиках нашего аппарата.
Массу аппарата на уровне концепта определить можно только очень приблизительно, потому что нет прямых образцов для сравнения. Навскидку, если сравнивать с массовым совершенством грузовых самолётов, то начальная масса двух ступеней и полезной нагрузки попадёт в диапазон 250-350 тонн. Аппарат будет, очевидно, многоразовым.

Первая ступень

Двигатель второй ступени не может работать на дозвуковых скоростях. Поэтому нужно добавить ещё одну ступень, которая разгонит наш аппарат от нуля до 1,2-1,5 М. Каким образом мы можем это сделать? Идея самолёта-носителя отметается сразу — грузовые самолёты дозвуковые, и 300 тонн не может поднять никакой серийный грузовой самолёт. Теоретически можно поставить твердотопливные ускорители размером поменьше тех, которые были на Спейс Шаттле. Но можно возродить систему, которую предполагали использовать первые теоретики ракетного движения и фантасты — старт с рампы. Построив практически обычные рельсы, можно просто и дёшево разгонять вторую ступень на ракетных санях. Можно предположить следующие плюсы:

Крепление ускорителей к саням должно снизить прочностные требования к второй ступени.
После запуска ускорители вместе с санями тормозятся и могут без проблем использоваться повторно (что сложнее обеспечить для сбрасываемых в воздухе ускорителей).
Небольшое и переносимое людьми ускорение в 4 g потребует всего 3 км для достижения скорости 1,2 М и 3,2 км — для 1,5 М.
Горизонтальный разгон не требует преодолевать притяжение земли, стартовые ускорители становятся меньше.
Не нужно строить дорогие и циклопические конструкции.

Самым известным полигоном, использующим ракетные сани, является полигон на базе Холломан, где длина рельсов уже перевалила за 15 км, а максимальная достигнутая скорость — 8,5 М:

Четырёхступенчатые ракетные сани, достигшие скорости 8,5 М в 2003 году

Аналоги

Человечество отличается хитростью и изобретательностью, поэтому стоит поискать уже придуманные подобные схемы. В 2010 году NASA проводило исследования этой же идеи на более продвинутых технологиях. Вместо ракетных саней предлагалось использовать электромагнитную или газовую катапульту, а вместо ПВРД поставить ГПВРД, которые бы смогли разогнать вторую ступень до вдвое большей скорости — 10 М. Была даже сооружена модель системы:

Команда разработчиков предложила десятилетний план осуществления проекта. Жаль, новостей позже 2010 года найти не удалось. Вряд ли проект активно разрабатывается.

Также, родственными будут концепции:
StarTram, предполагающий разгон полезной нагрузки на маглеве до скоростей в районе первой космической.
Maglifter, идея 1994 года, также предлагающая использовать маглев для замены обычной первой ступени ракеты-носителя.

Заключение

Предложенная схема может иметь следующие достоинства:

Высокий уровень технической готовности компонентов, технологии освоены и недороги.
Простота обеспечения многоразовости первой и второй ступеней.
Удельный импульс второй ступени выше, чем у ракетных ступеней.
Реализация новых технологий может повысить общую эффективность системы. Например, если удастся создать гибрид ПВРД/ГПВРД, то скорость отделения третьей ступени и зону повышенного удельного импульса можно серьезно увеличить.
Стартовое сооружение универсально — по одним и тем же рельсам можно запускать стандартные и облегченные ступени.

Идей облегчения доступа в космос много, кто знает, может быть, в будущем космолёты будут стартовать с рамп, как это придумывали век назад?

Фильм «Космический рейс», 1935 г. Если не смотрели — рекомендую, как-никак К.Э. Циолковский — научный консультант

По тегу «Облегчение доступа в космос» другие публикации этой тематики — грустная история экономической неудачи Спейс Шаттла, идеи воздушного старта, «одной ступенью на орбиту», «большого глупого носителя».
lozga
http://geektimes.ru/