ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ КОСМОНАВТИКИ В МИРЕ

СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ - ЛОКОМОТИВЫ КОСМОНАВТИКИ

Космические средства выведения представляют собой сложные технические транспортные системы, предназначенные для доставки полезных нагрузок в космическое пространство на заданные орбиты. Все существующие космические средства выведения, а также средства, эксплуатация которых будет осуществляться в обозримой перспективе (25...30 лет), имеют в своей основе принцип реактивного движения.

Первые сообщения о применении устройств, использующих этот принцип, появились в китайских хрониках, повествующих об осаде монголами Пекина в 1232 г. Китайцы применяли как сигнальные, так и боевые пороховые ракеты, имевшие дальность полета до 400 м. Начиная с XIV в. ракеты стали применять для доставки зарядов взрывчатых веществ в расположение противника и в Европе (Италия, затем Франция). Однако крайне низкая точность таких устройств не позволила им получить широкое распространение. Шли столетия, но особого прогресса в развитии ракетной техники не наблюдалось.

В начале XIX в. появились первые теоретические работы, посвященные проблемам создания пороховых ракет и их использования, а к концу XIX в. уже существовали проекты использования летательных аппаратов с ракетными двигателями для полетов в безвоздушном пространстве (Н.И. Кибальчич, Г. Гансвиндт).

Начало XX в. ознаменовалось появлением серьезных теоретических разработок, посвященных ракетной технике. В числе других рассматривались проблемы, связанные с использованием ракет для доставки грузов в космос (К.Э. Циолковский, Ю.В. Кондратюк, Ф.А. Цандер). В 1930-е гг. теория реактивного движения получила воплощение в многочисленных экспериментальных работах,что привело к созданию и широкому использованию реактивного оружия в годы второй мировой войны. После войны были созданы и развернуты мощные боевые комплексы межконтинентальных баллистических ракет, способные обеспечить доставку ядерных боезарядов в любую точку Земли.

А с 4 октября 1957 г. ракеты стали использоваться для доставки в космическое пространство на заданные орбиты специальных аппаратов, предназначенных для выполнения различных целевых задач. Началась космическая гонка, в которой средствам выведения отводилась главенствующая роль. На основе боевых ракет в США и СССР в кратчайшие сроки были созданы носите ли, обеспечивающие выведение в космос многотонных грузов.

Понимая,что проведение независимой политики в области космической деятельности без собственных средств доставки грузов в космос невозможно, многие страны проявили стремление к их созданию. Однако далеко не всем это оказывается по силам. Средства выведения - очень дорогостоящее "удовольствие". Дороговизна средств выведения в настоящее время стала фактически тормозить дальнейшее развитие космической деятельности: нынешняя стоимость выведения на орбиту 1 кг полезного груза составляет 20...25 тыс. дол.

Используемые одноразовые ракеты-носители были разработаны, как правило, на базе межконтинентальных баллистических ракет, и стоимостные показатели не являлись основным критерием при их создании. Наиболее остро стал вопрос снижения стоимости выведения полезной нагрузки в связи с широкой коммерциализацией космической деятельности. Государственные органы ведущих космических стран тоже проявляют интерес к проблеме удешевления запусков по причине уменьшения бюджетных ассигнований на космос.

Анализ проводимых за рубежом работ показывает, что основной путь, ведущий к снижению стоимости запусков в космос полезных нагрузок с помощью двигателей на реактивной тяге, - это многократность. На начальном этапе - многократность воспроизводства составляющих элементов носителей, т.е. использование блочных конструкций. Последующий этап - модульное построение систем выведения, создание семейств носителей на основе базовых модулей. И, наконец, завершающий этап - многократное использование самих средств выведения.

Изменение доли различных типов носителей

Ракеты-носители блочной конструкции, состоящие из большого числа одинаковых элементов, давно привлекали разработчиков космической техники. В сочетании с использованием уже созданных и отработанных в рамках других программ элементов такой подход обещал дать неплохой экономический эффект. Причем термин "многоблочность" или "полиблочность" в этом случае употребляется применительно к компоновочной схеме не только отдельных ступеней, но и носителя в целом.

Еще в середине 1970-х гг. в Германии был образован консорциум OTRAG, ставящий целью разработку и эксплуатацию дешевого коммерческого носителя,состоящего из большого числа единичных блоков. В зависимости от компоновки носители OTRAG должны были обеспечивать выведение различных грузов, например на орбиту высотой 100 км - полезного груза массой 200 кг (базовый модуль из четырех единичных блоков), на орбиту высотой 300 км - груза массой до 10 т или на геостационарную орбиту - 1,5 т (вариант из 600 единичных блоков).

Дешевизна носителя должна была достигаться за счет низких затрат на единичные блоки при их серийном производстве,использующем элементы и узлы, уже выпускаемые различными отраслями промышленности. Предполагалось обеспечить стоимость доставки полезного груза, аналогичного выводимому с помощью РН типа Titan-З (т. е. до 1,5 т на ГСО), до 20...25 млн дол. Первый запуск экспериментального образца носителя OTRAG был осуществлен с полигона в Заире в 1977 г. С 1981 г. планировалось начать эксплуатационные пуски. Однако эти планы так и не осуществились. Проект был закрыт по причинам финансового и политического характера.

В начале 1980-х гг. американской фирмой Space Services Inc. (с 1990 г. EER Systems) было разработано семейство РН Conestoga на основе твердотопливных ускорителей Castor-4. Экспериментальный одноступенчатый образец ракеты был запущен в 1982 г.

В 1994 г. планировалось запустить трехступенчатый вариант РН Conestoga-1229, способный вывести на солнечно-синхронную орбиту высотой 700 км 220 кг полезного груза. Первая ступень представляла собой ракетный твердотопливный двигатель Castor-4, вторая - укороченный в два раза РДТТ Castor-4, третья - РДТТ Star-48V. Однако запуск не состоялся.

В 1995 г. с полигона на острове Уоллопс была запущена четырехступенчатая РН Conestoga-1620, обеспечивающая выведение ПН массой 600 кг. В этом случае в качестве первой ступени были использованы четыре РДТТ Castor-4, в качестве второй ступени - два РДТТ Castor-4, на третьей ступени используется связка из двух РДТТ Castor-4, четвертая - РДТТ Star-48V. Созданная для нее пусковая площадка стала первым в США стартовым комплексом, находящимся в частной собственности. Стоимость изготовления ракеты Conestoga-1620 оценивается в 18 млн дол.

Запуск был неудачным. Больше сообщений о запусках РН Conestoga не появлялось. Другая американская фирма American Rocket разрабатывала в начале 1980-х гг. четырехступенчатый носитель ILV-1, использующий 22 гибридных ракетных двигателя. Ступени ракеты представляли собой связки двигателей, смонтированных вокруг общего бака с жидким кислородом. На первой ступени предполагалось использовать 12 двигателей, на второй и третьей - по 4, на четвертой - 2. Выводимая такой РН на низкую полярную орбиту полезная нагрузка могла составлять до 700 кг.

Во всех описанных случаях речь идет о "составлении" из набора идентичных блоков как отдельных ступеней, так и носителя в целом. Проекты не были реализованы из-за финансовых трудностей фирм-разработчиков и слабого интереса к ним со стороны потенциальных потребителей. В настоящее время принцип многоблочности получил свое дальнейшее развитие в модульных схемах построения носителей.

Модульный принцип построения средств выведения наиболее ярко проявился в разрабатываемых по заданию МО США проектах семейства носителей EELV (Evolved Expendable Launch Vehicle). Программа создания одноразовых носителей нового поколения EELV осуществляется в США с 1995 г. с целью замены эксплуатируемых в настоящее время морально устаревших и дорогостоящих ракет-носителей.

Реализация программы создания одноразовых носителей нового поколения должна обеспечить значительное снижение стоимости запусков (по некоторым данным на 25...50 %). В результате проведенных на конкурсной основе концептуальных разработок были выбраны проекты фирм Boeing и Lockheed Martin. Причем, желая обеспечить постоянную конкуренцию в течение всего срока действия программы EELV, МО использовало стратегию закупок продукции сразу двух поставщиков.

Оба проекта используют модульную схему построения носителей. Проект системы EELV фирмы Boeing. Семейство носителей Delta-4, разработанное фирмой Boeing, включает в себя пять вариантов носителей: легкий,средний,тяжелый и два промежуточных.

Все варианты имеют общий центральный блок СВС (Common Booster Core), оснащенный кислородно-водородным двигателем RS-68. В качестве верхних ступеней используются вторые ступени РН Delta предыдущих поколений:

• для легкой РН - от Delta-2 (используется долго хранимое топливо);
• для средней РН - от Delta-3 (криогенное топливо);
• для тяжелой РН - модифицированную от Delta-3 (криогенное топливо).

РН промежуточного класса будут использовать навесные твердотопливные ускорители от Delta-3. Фирмой Boeing предлагалось использование в составе основного блока спасаемых капсул с ЖРД, которые после окончания работы должны были спускаться на парашютах на поверхность моря. Были проведены испытания, подтвердившие реализуемость этой концепции. Однако заказчик предложения отклонил.

Проект системы EELV фирмы Lockheed Martin. Семейство носителей EELV (используется также название Atlas-4), разработанное фирмой Lockheed Martin, базируется на едином блоке ССВ (Common Core Booster),оснащенном кислородно-керосиновым двигателем российского производства РД-180.

Будут использоваться два варианта верхних ступеней:

1. Agena-2000 - на долго хранимом топливе;
2. Centaur - с кислородно-водородным двигателем.

На РН средней грузоподъемности MLV применяется ступень Agena-2000. При использовании ступени Centaur носитель сможет выводить ПН на ГСО. Тяжелый носитель HLV имеет в своем составе три единых блока и одну из верхних ступеней. И в том и в другом проектах число модул ей, используемых в составе первой ступени тяжелых носите л ей, равно трем. Это согласуется с результатами проведенных специалистами Центра им. М.В. Хруничева исследований, показавшими, во-первых, что экономически выгодно создавать РН на основе унифицированных модулей и, во-вторых, что оптимальным является использование трех-четырех модулей.

В 2001 г. должен состояться первый запуск носителя EELV средней грузоподъемности. Другим проектом фирмы Lockheed Martin, ориентированным на использование унифицированных моду лей, является разработка семейства РН для гражданских потребителей. Главной целью создания нового семейства является снижение издержек при росте надежности. Возможности этих носителей определялись исходя из существующих и прогнозируемых потребностей рынка в отличие от EELV, ориентированных на полезные нагрузки МО США.

Основой семейства станет, как и в семействе EELV, общий центральный ракетный блок, оснащенный двигателем РД-180. В качестве второй ступени используется разгонный блок Centaur-3 с одним или двумя двигателями. Планируется использование твердо-топливных стартовых ускорителей SRB (от одного до пяти).

Предполагается собирать четыре серии РН, обладающие следующими возможностями по выведению полезных нагрузок на низкие околоземные орбиты (Н = 185 км, i = 28,5°):

• 300-я - 10 т и 12,7 т (при одной и двух ДУ на второй ступени соответственно);
• 400-я - 9,85 т и 12,5 т;
• 500-я без ускорителей - 8,3 т и 10,3 т;
• 500-я с пятью ускорителями - 16,35 т и 20,05 т;
• HLV - 19,05 т или 6,35 т на ГСО.

Планируется использование качественно нового технологического оборудования, позволяющего сократить время подготовки носителей (до 10 дней для 300-й и 400-й серий) и выйти на рубеж 19 запусков в год. Одноразовые носители модульного типа рассматриваются как промежуточные транспортные космические средства при переходе к будущим рентабельным многоразовым носителям.

Использование многоразовых средств выведения является основным способом удешевления доставки полезных нагрузок в космос. Многократность запусков носителей обещает значительно снизить удельную стоимость выведения по сравнению с существующими одноразовыми РН. Анализ показывает, что все проектируемые многоразовые носители в зависимости от того, как они стартуют и совершают посадку, могут быть разделены на несколько видов.

По типу старта: с вертикальным, горизонтальным и воздушным стартом. По типу посадки: с вертикальной и горизонтальной посадкой. Среди проектов многоразовых средств выведения наблюдается преобладание одноступенчатых носителей, что, однако, еще не говорит об окончательном выборе в их пользу. Это как бы "розовая мечта". Работы по определению оптимальных схем построения перспективных средств еще не достигли завершающей фазы. Такие работы проводятся, в частности, фирмами Boeing и Lockheed Martin, которые выявляют облик носителей, наиболее полно отвеча-ющих требованиям США по доступу в космос после 2005 г.

Лидирующее положение среди стран - обладателей средств выведения занимают США, где находятся в эксплуатации несколько типов одноразовых ракет-носителей различной грузоподъемности (Atlas, Delta, Titan, Pegasus, Taurus и др.), а также многоразовая транспортная космическая система (МТКС) Space Shuttle. Частота запусков космических объектов составляет 30...40 пусков в год.

В 1994 г. Белый дом издал директиву "Национальная полити-ка в области космических транспортных систем" (NSTS), разработанную Национальным советом по науке и технике и определяющую политику США в области создания средств выведения.

Директива указывает два стратегических направления:

1. Поддержание на существующем уровне и улучшение характеристик имеющихся одноразовых ракет-носителей.
2. Инвестиции для проведения научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ для создания и эксплуатации многоразовых транспортных космических систем нового поколения, которые могли бы существенно уменьшить стоимость космических полетов (за 10 лет стоимость доставки на околоземную орбиту 1 кг полезной нагрузки должна быть снижена с 20 тыс. дол. до 2 тыс. дол.).

Поставлены четыре задачи:

1. Определить новую национальную политику расходования средств на космические полеты, согласующуюся с текущими бюджетными ограничениями и возможностями, представляемыми новыми технологиями.
   В соответствии с новой политикой Министерство обороны будет нести основную ответственность за модернизацию существующих одноразовых ракет-носителей. NASA будет отвечать за научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы по созданию систем многоразового использования.
2. Определить политику в использовании федеральными ведомствами иностранных средств запуска и их компонентов. С окончанием "холодной войны" для США стало возможным использовать иностранные научно-технические достижения, включая российские, применять зарубежные технологии и средства запуска, если это не противоречит требованиям обеспечения национальной безопасности США, их внешней политике и принципам коммерческого рынка запусков.
3. Определить политику использования федеральными ведомствами избытка баллистических ракет для коммерческих пусков.
   Документ обязывает правительство учитывать потребность в коммерческих пусках и устанавливает определенные критерии использования баллистических ракет.
4. Обеспечить возрастающую роль частного сектора в процессе принятия на федеральном уровне решений о научно-исследовательских и проектно-конструкторских работах в области космических полетов.

По сравнению с прежней национальной политикой в области космических полетов этот документ нацеливает Министерства транспорта и торговли на определение возможности кооперации правительства и промышленности и учета их в реализуемых планах NASA и Министерства обороны.

Консорциум Arianespace, эксплуатирующий РН семейства Ariane. B настоящее время осуществляет до 15 запусков в год. Наиболее часто для выведения КА используются модификации Ariane-44L и Ariane-44LP. В ближайшее время вводится в эксплуатацию более мощная РН Ariane-5. При этом пред полагается, что доля коммерческих запусков, осуществляемых с помощью РН Ariane-5, будет возрастать при продолжающейся эксплуатации ракеты Ariane-4, интенсивность пусков которой будет постепенно снижаться.

Китай с 1970 г. производит запуски РН серии CZ ("Великий поход"), с помощью которых осуществляется выведение КА на орбиты вплоть до стационарной с высокой степенью надежности (0,85). Частота запусков китайских РН может достигать 5...7 пусков в год.

Япония проводит обновление своего парка РН. В дополнение к модифицированному тяжелому носителю Н2А будут введены в эксплуатацию РН среднего класса J-2 и М-5. Запуски японских РН будут происходить 2...4 раза в год. Объемы рынка услуг по выведению в настоящее время и в перспективе до 2006 г., а также структура этого рынка представлены на рис. 1...3

Рис. 1. Объем мирового рынка услуг по запускам, млрд дол.

Рис. 2. Структура рынка услуг по запускам в 1990-е гг.

Рис. 3. Структура рынка услуг по запускам в 1990-2006 гг.