Жизнь после «Шаттла»: Delta Clipper и DC-X
Автор: Иван Конюхов
Вторая часть цикла про попытки американцев сделать одноступенчатую ракету на замену «Шаттлу». С середины 80-х в этом качестве рассматривался сверхамбициозный проект NASP, но чем дальше шла его разработка, тем больше вставало проблем. Дабы не наступать на грабли «челнока», заказчики исследовали и альтернативные концепции. Сегодня речь пойдёт о «космической маршрутке» «Delta Clipper».
Лайнер для СОИ
Одноступенчатый космоплан RASV, на основе которого «Боинг» предлагал сделать корабль для СОИ.
В отличие от NASP, «Delta Clipper» был сугубо военным проектом, который создавался в угоду Стратегической оборонной инициативе (СОИ) — той самой программе «звёздных войн», на финише которой предполагалось эффективно истреблять межконтинентальные баллистические ракеты на всех участках траектории. Для этого низкие орбиты должны были заполниться огромной группировкой разнокалиберных космических аппаратов, которые надо не только вывести в космос, но и заменять по мере выработки ресурса; внеплановые полёты тоже станут обыденностью: в мирное время спутники будут выходить из строя из-за неисправностей, а в случае «третьей мировой» Советы наверняка постараются изрядно уменьшить их число. Таким образом, к системе выведения предъявляются два жёстких требования: низкая стоимость запуска для обеспечения большого их числа и малое время подготовки, дабы оперативно менять потерянные звенья противоракетной цепи.
Максвелл Уайт Хантер (1922–2001)
Несомненное влияние на концепцию транспортной системы оказал Максвелл Уайт Хантер — один из крупнейших специалистов американского ракетостроения. С конца 50-х гг. он был последовательным апологетом одноступенчатых систем выведения (Single stage to orbit, SSTO) с вертикальным взлётом и посадкой, полагая, что только они позволят приблизить космический транспорт по стоимости, простоте и «рутинности» обслуживания к авиационному — и лишь тогда можно задуматься о широкомасштабном освоении космоса. Он вывел закономерность, подобную законам Мёрфи и Паркинсона: сложность административной структуры пилотируемых космических программ, как минимум, пропорциональна стартовой массе системы, умноженной на количество ступеней носителя. Но ракетостроители не просто так громоздят ступень на ступень: согласно формуле Циолковского, характеристическая (по сути, максимально достижимая) скорость ракеты пропорциональна логарифму отношения её начальной и конечной массы. Если это отношение получается только за счёт расходования топлива (одноступенчатый носитель), то сколь огромен не будет его запас, традиционная цельнометаллическая жидкостная ракета не сможет вывести хотя бы на низкую орбиту даже саму себя. Именно поэтому необходимо отбрасывать ещё и оставшиеся не у дел части конструкции.
SSX на обложке журнала Ad astra
Поначалу Хантер искал решение в коэффициенте пропорциональности — удельном импульсе, характеризующем совершенство силовой установки. В проекте RITA он предлагал атомный двигатель — 60 лет назад ещё не было очевидно, что с простотой обслуживания мирный атом на ракете не сочетается никак. Зато обычные жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) со временем становились всё совершеннее, понемногу наращивая удельный импульс, а аэрокосмическая промышленность осваивала композиционные материалы, позволявшие изрядно «согнать» массу конструкции. Работая в одном из подразделений корпорации «Локхид» над техническими решениями для СОИ, Хантер понял, что «звёзды сошлись»: благодаря современным технологиям одноступенчатая ракета получится и без атомной жюльверновщины, а «звёздные войны» делают потребность в ней несомненной. Но руководство не разделяло оптимизма маститого специалиста, в результате, тот обиделся и ушёл на пенсию. В 1989 г. в качестве «независимого исследователя» он предложил окончательную концепцию одноступенчатого носителя с вертикальным взлётом и посадкой SSX. Неожиданно Хантера поддержали военные и правительственные консультанты, продавившие решение раз и навсегда разобраться, пригодны ли одноступенчатые ракеты хотя бы для милитаризации космоса.
Космическая пирамида
Так мог выглядеть «Миллениум Экспресс» от «Дженерал Дайнемикс».
В 1990 г. Управление по программе СОИ, рассмотрев шесть заявок, заключило контакты с четырьмя фирмами на выработку технических предложений по одноступенчатому носителю. Предпочтения заказчика выявились сразу: оба варианта систем с воздушным стартом от компаний «Грумман» и «Фёд Миллениум» были отвергнуты сходу. «Рокуэлл» предложил компоновку по типу «Шаттла», но оснащённую ЖРД с клиновидным соплом внешнего расширения (aerospike). «Боинг» развивал свой старенький проект RASV — крылатый «челнок», стартующий при помощи рельсовой ракетной тележки. Злые языки утверждают, что эти две компании допустили к конкурсу лишь благодаря мощному лоббированию, ибо изначально комиссия Управления СОИ намеревалась рассматривать только два проекта с вертикальным взлётом и посадкой. Компания «Дженерал Дайнемикс» предложила аппарат «Миллениум Экспресс» конической формы, имеющий ЖРД с соплом внешнего расширения. А победителем год спустя признали фирму «Макдоннелл Дуглас» с весьма необычным проектом «Delta Clipper». Примечательно, что консультантом в нём был Хантер, хотя на его собственные разработки куда сильнее смахивает предложение «Дженерал Дайнемикса».
Описание миссии «Дельта Клипера»
Аппарат в виде пирамиды высотой 38,7 м с квадратным основанием и скруглёнными рёбрами весил на старте 458 тонн, включая 10 тонн полезной нагрузки, которые он мог вывести на низкую орбиту. Восемь кислородно-водородных ЖРД обеспечивали «ракетный» старт и разгон до первой космической. Самое интересное происходило на посадке. «Пепелац» входил в атмосферу носом вперёд. На высоких сверхзвуковых скоростях его форма позволяла без всяких крыльев и стабилизаторов создавать достаточную подъёмную силу и лететь устойчиво. Аэродинамическое качество при этом крайне низкое, но при огромной начальной скорости и высоте даже его хватает на боковой манёвр до 3000 км — этого достаточно для выбора посадочной площадки в пределах большей части США. Достоинством бескрылой формы виделись относительно гуманные тепловые режимы. Например, температура на носке фюзеляжа не превышала 1430°С — жуткая цифра, но всё-таки поменьше, нежели у «Шаттла», уязвимые к прогару крылья вовсе отсутствуют. Когда скорость погашена, аппарат разворачивается днищем (основанием) вперёд и «встаёт» на реактивную струю, после чего совершает вертикальную посадку на глубоко задросселированном режиме работы двигателей. В качестве «космодрома» при этом сойдёт даже вертолётная площадка.
Не Хантером единым: эволюция американских SSTO с вертикальным взлётом и посадкой
Идею полёта и приземления на реактивной струе изобрели, разумеется, не создатели «Дельта Клиппера» и даже не Макс Хантер. Ещё в 50-х она изучалась на летающих стендах: британском TMR, советском «Турболёте» и других, — чтобы затем лечь в основу реактивных самолётов вертикального взлёта и посадки: «Харриера», Як-36/38/41 и т. д. В США рассматривалось немало проектов космических кораблей с реактивной посадкой, дань ей отдали и советские инженеры в виде проекта 14Ф70 «Заря» — «фара», похожая на сильно увеличенный «спускач» «Союза», должна была мягко приземляться на тяге 24 маленьких двигателей. На реактивной струе садились все лунные и марсианские посадочные модули — и американские «Орлы» с астронавтами и «маленьким шагом человека» в том числе. Однако отношение к реактивной посадке пилотируемых кораблей у большинства специалистов остаётся скептическим. Например, выдающийся инженер «королёвской фирмы» В.С. Сыромятников вспоминал об обстановке вокруг «Зари»:
Откровенно говоря, большинство наших разработчиков неодобрительно относились к этой идее: даже не считая иррациональности (большие затраты топлива на торможение и вес аппаратуры), опасность этой операции с учётом её критичности и быстротечности процесса (всего за неполный десяток секунд до свободного падения на Землю), мягко говоря, не внушали оптимизма.
Миссии «Дельта Клипера» (справа налево): снабжение орбитальной станции, возвращение на Землю старых спутников, обслуживание спутников, «пересадка» грузов на «Шаттл». В последнем случае, видимо, подразумевалось, что «Дельта Клипер» либо будет передавать спутник для сложного ремонта, либо сделает несколько рейсов к «челноку», который снимет с орбиты сразу несколько объектов, либо наоборот, растащит пачку выведенных грузов по нужным орбитам
Маневрирование и посадка на реактивной струе были, пожалуй, не самой большой проблемой «Дельта Клиппера». К нему предъявлялись требования, находившиеся в жесточайшем противоречии друг с другом. После вояжа в космос и речи идти не могло ни о каком капитальном ремонте планёра, переборке двигателей, вылавливании ускорителей из океана, изготовлении отдельных узлов с нуля, как это делалось на «Шаттле». Одноступенчатый и полностью многоразовый носитель должен был работать именно как самолёт: приземлился, дозаправился, прошёл регламентный осмотр и снова в небо! Влезть в прокрустово ложе формулы Циолковского эдакое чудо техники практически может только при двух условиях: использование наиболее высокоэнергетической топливной пары водород-кислород и небывалая низкая масса пустого аппарата. Но водород с температурой кипения -253°С, мягко говоря, не способствует простоте обслуживания, а композиционные материалы, коими собирались «согнать» массу конструкции до 10% от взлётной, весьма дороги. Между тем, невиданных возможностей аппарат должен быть ещё и невиданно дешёвым.
Наземное обслуживание «Дельта Клипера».
Наземная команда в 100 человек, по замыслу создателей, успевала подготовить «Дельта Клипер» к новому полёту в течение трёх дней. Компоновщики постарались облегчить ей участь. По оси пирамиды монтировались баки водорода (снизу) и кислорода (сверху); вокруг них навешивались агрегаты ракеты, которые, таким образом, оказывались вблизи обшивки — в ней предусмотрели множество люков, обеспечивавших доступ к любому узлу. Большую их часть постарались охватить системой автоматической диагностики, так что люки в основном предназначались для ремонта. Отсек полезной нагрузки размерами 4,57×4,57×6,7 м сделан легкосъёмным: монтировать груз можно отдельно от носителя, не мешая работам на нём — по завершении предстартовой подготовки «ящик» со спутником просто устанавливался в ракету «до щелчка». Вместо грузового отсека на те же посадочные места могла крепиться кабина астронавтов — принцип модульности во всей красе. Разработчики надеялись, что принятые меры резко снизят расходы на предстартовую подготовку, а они оценивались в 45% общей стоимости пуска.
Step-by-step на орбиту
DC-X выкатывают из цеха
В 1991 г. Управление СОИ выделило «Макдоннелл Дугласу» $59 млн. на постройку аппарата SX-1, более известного под названием DC-X — похоже, менеджеры фирмы проводили параллели с легендарным авиалайнером DC-3, мол, их творение станет такой же «рабочей лошадкой» (полноразмерная система в ряде источников фигурирует как DC-Y). SX-1 представлял собой малоскоростную дистанционно-пилотируемую модель «Дельта Клиппера» в масштабе около 30%, выполненную по большей части из обычных алюминиевых сплавов — композитной была только обшивка. Интересно, что корпус изготовил не «Макдоннелл Дуглас», а субподрядчик — молодая фирма Бёрта Рутана «Scaled Composites». Для дальнейшего снижения технического риска планировался и более крупный прототип SX-2, который уже мог достигать скоростей впятеро быстрее звука, высоты 180 км и нести 900 кг полезной нагрузки.
Предполётное обслуживание.
Пока DC-X строили, обстановка в мире успела измениться катастрофически — не только для первого государства рабочих и крестьян, но и для военных бюджетов стран, коим оное государство активно не нравилось. СОИ «сдулась», а её ресурсы перебросили на борьбу с ракетами средней и малой дальности. В соответствующее управление передали и «Дельта Клипер», только оно не нуждалось в космической ракете, ибо предполагало отражать налёт не из космоса, а с Земли. Зато ко двору пришёлся гиперзвуковой ракетоплан SX-2 — он и стал конечной целью ощипанной программы. Но для начала нужно было научить летать SX-1.
«Мечты сбываются»: Макс Хантер (слева) на фоне отклонённого аэродинамического щитка DC-X
SX-1 предназначался для отработки принципов проектирования, унифицированных агрегатов, системы самодиагностики, «быстрого» наземного обслуживания и, разумеется, вертикальных и горизонтальных полётов, разворотов кормой вперёд, посадки на хвост. Четыре его маршевых двигателя RL-10A-5 максимальной тягой по 6700 кгс представляли собой очередную модификацию целого семейства моторов, которое ведёт свою родословную аж с 1961 года. Сопло обрезали под маловысотную работу, а камера сгорания обеспечила нетипично глубокое для ЖРД дросселирование тяги — до 30% номинала, — нужное на посадке. Двигатели стояли в карданных подвесах — поворачиваясь до 8° в каждую сторону, они отклоняли вектор тяги и таким образом меняли пространственные углы ракеты. Их дополняли четыре управляющих мотора тягой по 181 кгс на газообразных компонентах и аэродинамические щитки — панели обшивки, которые могут откидываться на угол до 30°. Три способа создания управляющих моментов имели разную эффективность на разных режимах полёта, сочетались в несметное число комбинаций и оказывали влияние друг на друга. Согласовать эту разноголосицу в слаженный хор мог только быстродействующий бортовой компьютер со сложным программным обеспечением. Писалось оно на мудрёном языке «Ада», разработанном по заказу Минобороны США и так и не нашедшем широкого применения.
Компоновочный чертеж со схемой полета
Компоновка аппарата высотой 11,9 м подобна «Дельта Клиперу». Прототипная система самодиагностики позволила уменьшить обслуживающий персонал до 30 человек, из коих лишь половина была квалифицированными специалистами. DC-X, его стартовая позиция, устройства обслуживания и заправки топливом перевозились автоприцепами — вся система была очень мобильной. Трое операторов управляли ракетой из автофургона, причём навигационная система позволяла автономно завершить полёт в случае потери сигнала. «Капитаном» назначили Чарльза Конрада. Опытнейший астронавт дважды летал на «Джемини», входил во вторую пару, высадившуюся на Луну на «Аполлоне-12», командовал первым экипажем орбитальной станции «Скайлэб». Укрощение экзотической ракеты стало достойным финалом его карьеры.
Меры стандартизации, унификации и модульности не только проверялись на прототипе — во имя пущего удешевления их было даже больше, нежели планировалось на полноразмерной машине. Часть бортового оборудования перекочевала с истребителей F-15 и F/A-18, а, например, петли, на которых держались многочисленные люки и лючки, вообще были запчастями для пианино, закупленными в ближайшем хозмаге. Консервативные материалы и компоненты привели к низкому весовому совершенству: при стартовой массе почти 19 тонн, лишь 8,8 т приходилось на топливо. Зато от заключения контракта до передачи летающей лаборатории заказчику минуло всего полтора года.
Первые полёты
Первый старт
18 августа 1993 г. DC-X впервые воспарил над помнящим ещё «Фау-2» полигоном Уайт-Сэндз на умопомрачительную высоту 45 м и приземлился на бетонную площадку в 105 м от места старта. За минуту в небесах у него успел загореться нос и началось сильное плескание топлива в баках, а садился он со скоростью всего 0,3 м/с, вчетверо ниже расчётной. Тем не менее, полёт сочли в целом успешным, а неохотное приземление объяснили переотражением реактивной струи от «бетонки» и днища аппарата.
Второй полёт состоялся три недели спустя. Он был на шесть секунд дольше и проходил вдвое выше. DC-X интенсивно набирал высоту, отклонялся от вертикали на 5°, убирал и выпускал посадочные опоры немецкого производства. Уже через пять минут после посадки наземная команда могла работать с ракетой. 30 сентября — третий эксперимент длительностью 72 с на высоте до 360 м. Казалось, всё идёт по плану, но тут военные прекратили финансирование программы. Спас её Конгресс, выделив из закромов $40 млн.; поддержало работу и NASA, собираясь воспользоваться опытом DC-X при создании одноступенчатой ракеты, о которой мы поговорим в следующий раз. Вскоре передумали и военные, но деньги давало уже Управление перспективных исследовательских проектов (DARPA). Неопределённость с финансами вызвала перерыв в полётах — DC-X стоял всеми забытый прямо на стартовой площадке под временным укрытием. Это тоже стало своего рода испытанием: когда несколько месяцев спустя пусковая команда исследовала заброшенный, по сути, аппарат, оказалось, что в сколь-нибудь серьёзном ремонте он не нуждается и уже через неделю будет снова готов летать. 22 июня 1994 г., он набрал высоту 870 м и скорость 119 км/ч, активно маневрировал и зависал на месте.
DC-X висит над «Уайт-Сэндзом», поднимая кучу белого песка, который, видимо, и дал название полигону
Пятый полёт должен был продолжить последовательное усложнение программы, но неожиданно выявил новые качества изделия. При старте взорвался скопившийся под днищем гремучий газ, однако операторы этого не заметили и лишь на седьмой секунде поняли, что DC-X вообще-то разрушается. Ещё через десять секунд они догадались выдать команду на приземление — к тому времени «пирамида» достигла высоты 780 м. Она впервые села на неподготовленную площадку, пробыв в воздухе 78 с и показав неплохую живучесть: ни повреждения корпуса в области размером 1,2×4,5 м, ни трещина в водородном баке не привели к катастрофе. По сути, DC-X продемонстрировал не самое очевидное преимущество многоразовых ракет-носителей: они могут совершить аварийную посадку, в отличие от одноразовых ракет, коим пути назад уже не будет.
Вместо разбитого фюзеляжа сделали новый, и в очередном испытании 16 мая 1995 г. DC-X впервые использовал для управления «разнотяг» двигателей и аэродинамический щиток, а также перешёл в горизонтальный полёт. Его продолжительность была увеличена в седьмом пуске, когда были задействованы абсолютно все органы управления. Наконец, 7 июля аппарат продемонстрировал возможность разворачиваться кульбитом по тангажу. По завершении этого «прыжка» планировалось дозаправить DC-X и сразу стартовать вновь, но на посадке из-за отказа высотомера корпус слегка повредили и рисковать машиной не стали. Три последних полёта длились более двух минут каждый и наглядно показали перспективность схемы. DC-X окончательно «распогонили и разлампасили», зато он уверенно занял место в когорте экспериментальных машин NASA.
Танцы на краю ямы
Х-33 в варианте «Макдоннелл Дугласа»
В 1995 г. Агентство подготовило техническое задание на многоразовую ракету-носитель (Reusable launch vehicle, RLV), предназначенную для снабжения Международной космической станции «Альфа», и её прототип Х-33. В конкурсе на их разработку участвовал и «Макдоннелл Дуглас», предложивший очередную «пирамиду». Фирма даже согласилась частично профинансировать модернизацию DC-X, который вновь становился «прототипом прототипа».
Первая посадка DC-XA
Благодаря новому оборудованию и топливным бакам конструкция модернизированного аппарата, получившего обозначение DC-XA (advanced), полегчала почти на тонну. «Макдоннелл» планировал сделать оба бака из углеродного композита, но опасаясь за взаимодействие нового материала с криогенным окислителем, выполнил из него только водородную ёмкость, а кислородный бак не стал делать вообще, заказав его (из алюминиевых сплавов) корпорации «Энергия». В России приобрели и насос для гидроприводов.
Весь сыр-бор стоимостью $25 млн. имел целью повышение лётных характеристик, но первый пуск обновлённого аппарата 18 мая 1996 г. был повторением пройденного: 62 с в небе и высота 240 м. На посадке нештатно раскрылся один из аэродинамических щитков, а отскочившая от земли реактивная струя его подожгла, но большой беды не случилось. Следующая пара полётов должна была состояться-таки последовательно с перерывом всего в несколько часов. Задача усложнялась посадкой на неподготовленную площадку. Ну как неподготовленную… грунт утрамбовали и тщательно полили. Но это не помогло: DC-XA реактивной струёй буквально вырыл себе яму и лишь чудом не опрокинулся — все четыре опоры упёрлись в край пропасти глубиной 60 см. Эвакуация «пепелаца» со всеми предосторожностями и ввод в боровой компьютер нового полётного задания (испытатели решили больше не испытывать судьбу и сажать ракету на бетон) затянули подготовку к повторному старту, но даже перерыв в 26 часов был рекордом. DC-XA выстрелил в небо Нью-Мексико со скоростью 90 м/с и достиг рекордной высоты 3140 м.
DC-XA, по всей видимости, в последние секунды перед подъёмом
Двенадцатый полёт 31 июля оказался последним. При приземлении не вышла одна из посадочных опор. Можно было дожечь топливо и спустить ракету на аварийном парашюте, но испытатели рискнули. Машина аккуратно встала на три ноги, и целых пять секунд казалось, что пронесло, но всё-таки изделие завалилось на бок, загорелось и через полторы минуты взорвалось. Пожар потом целый час тушили. За сим программа «Дельта Клиппер» себя исчерпала. Ещё в мае 1996 г., когда DC-XA совершил свой прорывной парный полёт, стало ясно, что «Макдоннелл Дугласу» не суждено выиграть конкурс RLV, а уже в следующем году компания была поглощена «Боингом». Общие затраты на проект Delta Clipper в итоге оказались в два-три раза меньше, чем на один запуск «Шаттла», но увы, похоже, пропали впустую.
Эскизы МТК-ВП
При всей необычности своего внешнего вида, «Дельта Клиппер» был не единственным и даже далеко не первым проектом «пирамидального» воздушно-космического аппарата. Такая схема зачастую представляется разумным компромиссом между конструктивно простой, но неманёвренной «фарой» и крылатой схемой с её возможностями садиться «по-самолётному», за которые приходится платить сложной теплозащиой и большой паразитной массой несущих поверхностей. Американцы даже испытывали серию малоскоростных «несущих корпусов» (M2-F2, M2-F3, HL-10, X-24), правда выглядели они несколько менее геометрично. В нашей стране примерами ярко выраженной «бескрылки» можно считать альтернативную «Бурану» систему МТК-ВП, известную под обиходными кличками «глухолёт» и «труфоплан» (по фамилиям Генерального конструктора «Энергии» В.П. Глушко и его первого заместителя Ю.Н. Труфанова), а также основной вариант приснопамятного «Клипера». В последние лет пятнадцать эта компоновка вновь не в фаворе, но вряд ли о ней забыли насовсем.
Команда разработчиков на фоне DC-X
Вспомнили ведь в итоге про второе новшество «Дельта Клипера» — вертикальную посадку. Возродил идею Илон Маск. В 2015 г. она, наконец, стала реальностью в виде первой ступени носителя Falcon-9. С тех пор спасения ракетных ступеней стали обыденностью, по стопам Маска идут и другие частные компании, ненадолго поддался поветрию даже «Роскосмос». Тем не менее, для пилотируемых кораблей чисто ракетная посадка всё ещё не принята — от неё отказались и на «Драгоне», и на «Федерации». Но в отличие от «несущего корпуса» и вертикальной посадки ступеней, это не просто одна из возможных инженерных альтернатив. Ракетная посадка пилотируемого корабля напрямую увязана с направлением прогресса человечества, и я очень надеюсь, что оное направление всё-таки к ней приведёт. Ведь никаким иным способом невозможно сесть на небесное тело с разреженной атмосферой или вовсе без таковой.
Источники
Автор: Иван Конюхов
Оригинал
