Хроника космических сверхтяжеловесов. Часть 3. «Марстодонты» новой эры

В 1984 году, НАСА стало очевидно, что система Спейс Шаттл не способна осуществлять запланированные 20 ежегодных запусков заявленных в изначальном проекте. Поиск альтернативных решений привел к первым работам по созданию более бюджетных вариантов космической системы.

Катастрофа шаттла Челленджер в 1986 году стала катализатором начала превращения этой универсальной системы, пусть пока лишь на чертежах, в сверхтяжелую лунную ракету.

Как мы знаем по предыдущей части обзора, космический челнок Орбитер с помощью своих маршевых двигателей RS 25 использовал внешний топливный бак на основном участке разгона космической системы. Благодаря этому Орбитер весом около 100т выходил на земную орбиту. Так же мы знаем по опыту советских инженеров, переделавших многоразовую систему ОС 120 (техническая копия Шаттла) в «Энерию-Буран», что такая схема в принципе позволяет конвертировать многоразовую систему в сверхтяжелую ракету-носитель при относительно невысоких затратах.

Начало проектирования сверхтяжелой ракеты-носителя «Shuttle C» в октябре 1987г, было первым шагом в этом направлении.
По сути это была практически та же самая система, однако от Орбитера оставались лишь 3 маршевых (RS 25) и 2 маневровых (OMS) двигателя, освободившийся вес позволял РН «Shuttle C» выводить на околоземную орбиту до 77 тонн полезной нагрузки. Таким образом, в НАСА надеялись покрывать годичный план по запуску космических челноков (выводивших за раз не более 25т), а так же использовать новый носитель для запуска крупногабаритных орбитальных станций и больших оптических телескопов.

Схема РН «Shuttle C», справа крупногабаритный макет разгонного блока C


Стоимость всего объема работ была оценена в 2 млрд $, что приблизительно было равно стоимости нового Орбитера. К началу 90ых, несмотря на эту относительно невысокую сумму в НАСА так и не смогли определиться с целями для новой перспективной РН. 2 млрд были потрачены на новый орбитер Endeavour, а в строительстве орбитальных станций решено было положиться на помощь и опыт России («Мир — Atlantis», «МКС»). Проект «Shuttle C» в 1995г был отложен в дальний ящик. Как оказалось не на долго.

В 2003 году, мир потрясла очередная космическая катастрофа. При возвращении на Землю вместе с кораблем Колумбия погиб весь его экипаж из 7 астронавтов. По иронии судьбы именно этот челнок в конце 80ых предлагали переделать во вторую ступень РН «Shuttle C ». Руководству США и НАСА стало очевидно, что эпоха Шаттлов подойдет к концу раньше, чем они предполагали. Решено было переосмыслить не только техническую, но и идеологическую стратегию американской космонавтики.

Это вылилось в амбициозную программу «Созвездие», озвученную в 2004г. В рамках данной программы предполагалось снова использовать наработки по программе «Space Shuttle», однако в отличии от «Shuttle C», значительно увеличивалась мощность твердотопливных ракетных ускорителей (тяга обеих ускорителей доведена до 1700т! каждый). Блоки ТРУ отделялись через 116 с после старта. Внешний топливный бак увеличили в диаметре с 8 до 10м, а 3 маршевых двигателя RS 25 заменены на 5 более простых RS 68 от РН Дельта 4 (тягой в 350т каждый), которые были перенесены уже под сам топливный бак (по аналогии с блоком Ц РН «Энергия»). Через 303 секунды работы, выше описанная первая ступень РН отделялась, после чего вторая ступень вооруженная двигателем J 2X (модификация двигателя второй и третей ступени РН «Saturn 5») выводилa на околоземную орбиту вместе с лунным модулем «Альтаир».

РН «Ares 5» вместе с лунным модулем Альтаир


Сверхтяжелая РН была названа Ares 5, имя «Арес» означало главную цель этой РН – пилотируемую экспедицию на Марс (римляне называли Марсом греческого бога войны Ареса). А цифра 5 отсылала к знаменитой лунной ракете Saturn 5. Арес 5 способен был выводить на низкую околоземную орбиту 188т полезной нагрузки (или более 70т на орбиту Луны).

Параллельно с этим использовалась тяжелая РН Ares 1, первую ступень которой составлял один блок ТРУ (SRB) РН Ares 5, а вторая ступень так же вооружена двигателем J 2X. Ares 1 выводил на орбиту пилотируемый корабль «Орион», который после стыковки с лунным модулем «Альтаир» разгонялся на траекторию полета к Луне второй ступенью РН Арес 5. Название ракеты так же отсылает индексом к РН «Saturn 1/B», использовавшейся для запуска пилотируемых кораблей «Аполлон» в 60-70ых гг.

Устройство РН «Ares 1»


Тестовый пуск РН «Ares 1», 2009г. Закрытие этого проекта вынудило НАСА использовать российские корабли «Союз» для доставки астронавтов на МКС


В 2009г вновь была предложена концепция развития проекта «Shuttle C» (переименованная в HLLV), некоторые модификации которого позволяли запускать на околоземную орбиту уже около 100т)


Однако в НАСА отвергли данный проект, а через год – в 2010 году, на пике мирового финансового кризиса, отменена и программа «Созведие».

В 2011 году, на базе проекта Созвездие, было решено создать более «урезанную» версию как самой сверхтяжелой ракеты Ares 5, так и пилотируемого корабля Орион.

Новая ракета SLS (Space Launch System — «Система Космических Запусков») гораздо меньше отличалась от базовой системы «Space Shuttle», нежели Ares 5. Так к 4 оригинальным секциям ТРУ добавили 5ый сегмент,. Параметры внешнего топливного бака практически остались прежними (диаметром в 8,4м). По аналогии с центральным блоком «Энергии» вместо трех маршевых двигателей, под оригинальный топливный бак шаттлов установили 4 двигателя RS 25D/E. Однако в отличии от «Энергии» и «Shuttle C », выводимая нагрузка размещалась сверху, а не сбоку. Полезная нагрузка составила те же 70т (Блок 1) что и у «Shuttle C ». Вес РН возрос до 3000т, высота составила 121м, суммарная тяга при старте – 4000т (3200т тяги в сумме два блока ТРУ + 740т тяги 4х RS 25). Подобный избыток тяги по отношению к выводимой нагрузке (даже при 130тонной версии Блок 2), объясняется очень низким удельным импульсом блоков ТРУ (265с).

Схема РН «SLS» block 1


В дальнейшем планируется усилить тяговооруженность «SLS» до 105 (Блок 1А) и 130 т (Блок 2) соответственно, для осуществления сначала лунных, а затем и межпланетных пилотируемых экспедиций. Стоимость проекта к 2017 году предположительно составит 35 млрд $. Готовность РН «SLS » оценивается в 70%, первый полет намечен на 2017г.

Различные варианты РН «SLS»


Еще один исторический курьез. НАСА объявило тендер на покупку перспективных ЖРД двигателей для будущих версий РН «SLS» (в частности Блока 2), по причине вышеупомянутого низкого у. импульса блоков ТРУ. Наряду с предложением Rocketdyne модифицированной версии двигателей F 1 ракеты «Saturn 5» (F 1B с увеличенной тягой с 690 до 800т), в борьбу вступила частная космическая компания Аэроджет с двигателями AJ 26. Курьез заключается в том, что AJ 26 это американская модификация двигателя… НК 33, разработанного в свое время уже для советской лунной ракеты Н 1. Тендер заканчивается в следующем году, и новая дуэль старых соперников за место в новой лунной ракете обещает быть жаркой. Впрочем, не исключено что НАСА примут на вооружение оба двигателя.

Концепт F 1B (слева) и НК 33/AJ 26 на испытательном стенде фирмы Аэроджет (справа)


В год закрытия программы «Созвездие», 4 июня 2010г частная компания Space X основанная Илоном Маском, осуществила запуск усиленной версии ракеты серии Falcon – «Falcon 9». Несмотря на то что даже модифицированная версия «Falcon 9 1.1» не позволяла выводить полезную нагрузку весом более 14т (чуть меньше РН «Зенит»), но уже в 2012г Space X объявила о заключении контракта с министерством обороны США на запуск сверхтяжелой версии «Falcon Heavy» в 2015г.

Илон Маск на фоне РН «Falcon 9 1.0». Хорошо видны 9 двигателей Merlin 1C расположенные «квадратом»


Для этого используется пакетная схема конструкции ракеты с тремя блоками «Falcon 9 1.1» для первой и второй ступени, вооруженные 9 усиленными двигателями Merlin 1D каждый. Третья ступень вооруженная одним двигателем Merlin 1D используется для разгона груза на земную орбиту (5 на схеме ниже). Всего 27 двигателей при старте развивают тягу в 1800т при у. импульсе в 282с. Диаметр каждого блока – 3,6м, высота ракеты – 68 м, вес – 1460т, масса выводимой полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту – 53т, при цене запуска в 100 млн долларов. В будущем планируется многократное использование блоков первой ступени.

Схема РН «Falcon Heavy», три модуля первой ступени РН «Falcon 9 1.1» располагают 9 двигателями Merlin 1D (справа внизу) каждый. Можно отметить характерное «круговое» расположение маршевых двигателей РН «Falcon 9 1.1»


По планам Space X, главная цель создания этого носителя – демонстрация недорогих средств осуществления пилотируемой экспедиции на Марс (программа «Красный Дракон» и «Mars One»).

Модульный «коллега» РН семейства «Falcon» – российская РН «Ангара» разработки РКК «Энергия» и НПО «Энергомаш», так же теоретически способна выводить на орбиту груз массой до 50т. Версия ракеты А7,2В комплектуется 6 базовыми и одним усиленным блоками УРМ 1 вооруженные двигателями РД 191 каждый. 7 двигателей должны развивать суммарную тягу при старте в 1400т. Для разгона полезной нагрузки до земной орбиты используется блок третей ступени КВТК2 с двигателем рд 0124. Масса проектной РН – 1200т, высота – 65м. Однако даже для версии «Ангара А7» с грузоподъемностью в 35т придется строить отдельный стартовый стол и в ближайшие 10 лет будут в основном использоваться сборки А1 до А5 грузоподъемностью от 1,5 до 25т.

Различные композиции блоков УРМ 1 РН «Ангара»




Проекты же отдельной сверхтяжелой РН находятся в России в зачаточном состоянии. Хоть наша страна и располагает всеми необходимыми для этого средствами (семейство легких (РД 191/ НК 33) и тяжелых (РД 171/М) высокоэффективных двигателей), конкретной задачи для такой РН пока нет. Однако все может быстро измениться не только на фоне успехов американских проектов SLS и «Falcon Heavy», но и работ в этом направлении наших восточных соседей.

Гипотетический вариант сверхтяжелой российской РН «Енисей 5» во многом заимствует наработки по ракете «Энергия», а именно 4 разгонных блока первой ступени с двигателями РД 170 и водородные двигатели второй ступени РД 0120 (восстановление производства последних остается под большим вопросом


В КНР с 2013г, на проектной стадии работ находится будущий сверхтяжелый носитель «Великий поход 9». Китайские инженеры активно ведут разработку кислород/ керосиновых двигателей YF 660 стартовой тягой в 650т. Четыре таких планируется использовать на первой ступени РН (или 4 блока ТРУ с тягой в 1000т каждый).

Технологический макет опытного двигателя YF 650 (слева) и схема двигателя YF 220 (справа)


Вторая ступень так же будет вооружена х4 YF 660 (версия А) или х5 YF 220 (версия Б), а третья двумя (версия А) или одним (версия Б) двигателями YF 220 тягой в 200т. Масса ракеты оценивается в 4000т, тяга при старте в 5000т, длина 100м, а полезная нагрузка в 130т. Главной задачей новой РН называют начало колонизации человеком нашего естественного спутника – Луны.

РН «Великий поход 9», версия А (слева) и Б(справа)


Остается лишь пожелать удачи всем участникам новой гонки сверхтяжелых носителей, и надеется что на этот раз великий поход человека в космос будет началом полномасштабного освоения человеком солнечной системы.

Часть 1. Лунные «динозавры».
Часть 2. «Парк» многоразового периода.

Источник: habrahabr.ru/post/229519/