В. Л. Катаев, старший научный сотрудник Центра исследований устойчивости и нелинейной динамики при Институте машиноведения им. А. А. Благонравова РАН.

Отправляемые в космос объекты и технические устройства становятся все сложнее и совершеннее. По своим характеристикам они намного превосходят давшие им право на существование ракеты-носители, которые в 2007 г. отметят свое пятидесятилетие. Результат научно-технической мысли, они, в принципе, пока находятся среди "простейших" летающих - на уровне бабочек-однодневок: вывели потомство, извините, спутник, - и умерли.

Такой перекос можно было бы отнести к парадоксам развития, если бы на него не влияла хорошо известная утилитарная составляющая: у большинства ракет-носителей - военные "предки". Почему же в такой "прорывной" области человеческой деятельности, как космическая, не прогрессируют явно отстающие средства выведения? Какова может быть роль России - родины космонавтики - в исправлении ситуации?

Отечественная космонавтика находится сейчас в затруднительном положении, но это, надеемся, удастся преодолеть. Однако по отдельным направлениям, увы, ничего не изменится, если срочно не предпринять опережающие меры. Контроль за космическим рынком и, само собой, значительные дивиденды полностью окажутся в руках той страны или финансово-промышленной группы, которая предоставит наиболее удобную, экологичную и дешевую технологию выхода на околоземную орбиту, осуществления на орбите заданных программ и возвращения.

Следует отметить: сейчас в мире накопилось большое количество крупных проектов создания средств выведения. Реализация их сдерживается, в основном, из-за недостаточно подготовленной концептуальной базы: ракетчики предлагают ракеты, авиаторы - суперсамолеты. Имеются также различные варианты симбиоза, но нет приемлемой консолидирующей концепции. Такое состояние означает: период линейного развития в данной области техники близится к концу, и, видимо, назревают крупные принципиальные изменения в технологии использования космоса.

Действительно, сегодня в разработке удобного и простого "лифта", курсирующего на орбиту Земли и обратно, сложилось предпрорывное состояние. Инженерная база для выполнения поставленной задачи, в основном, имеется, однако приемлемой для всех концепции ее реализации пока нет. В чем же причина?

Видимый сегодня путь развития средств выведения (при выполнении других общих требований) - уменьшение фундаментальных затрат на создание соответствующей транспортной системы и оперативных - на ее обслуживание с доведением удельной стоимости запуска полезной нагрузки до 100 долл./кг. Это возможно только в том случае, если будут использованы все прогрессивные мировые достижения и произойдет "интеграция дисциплин" - главным образом, авиационных и ракетных.

В разработанном нами проекте практически нет ничего из того, что принято называть "технической революцией". В его основу заложен уже имеющийся научный и инженерный задел, накопленный как в ракетно-космической, так и авиационной технике. В совокупности этого достаточно для начала работ по реализации идеи "лифта". Вместе с тем мы предлагаем ряд нетрадиционных проектно-конструкторских подходов, которые без значительных технических усложнений позволят корректировать параметры создаваемой взлетно- космической системы в процессе ее дальнейшей оптимизации.

В чем же отличие нашего проекта от предыдущих?

Излишне оптимистичная экстраполяция объемов грузопотоков в космос, сделанная в 70-х годах на период до 2000 г. с большим упором на военные цели, привела к неоправдавшим себя затратам на дорогостоящие программы. Не подтвердилась, например, экономическая аргументация по созданию американских космических кораблей "Спейс шаттл". Не оправдались прогнозы и в отношении наших "Буранов". Эта программа оказалась одноразовой по всем основным параметрам: топливным бакам, двигателям, системе управления. А ведь общие затраты на нее превысили 18 млрд. долл.

Главный недостаток подобных кораблей многоразового использования - ограниченные возможности в достижении круговой орбиты выше 300-500 км. Для перевода их на более высокую, например геостационарную орбиту (36 000 км), требуется дополнительный межорбитальный транспорт в виде ракеты-буксира или двигательная установка с пополняемым запасом топлива, размещенная непосредственно на космическом объекте.

Однако по другим параметрам многоразовое использование носителя дает ряд преимуществ. Скажем, можно прогнозировать, что сложные дорогостоящие космические системы, стоимость которых намного превышает затраты на фрахт средств выведения их на орбиту, будут создавать для перевода с орбиты на орбиту, заполнения топливом, сервисного обслуживания и ремонта на орбите, и наконец, приземления. Кстати, возвращаемые корабли помогут решить проблему космического мусора - до сих пор одну из сложнейших среди нерешенных.

Альтернативой космическим кораблям многоразового использования пока остаются баллистические одноразовые ракеты-носители. Их применение было оправдано в период активного военного противостояния государств и создания новых стратегических ракет, на технологической базе которых и строили носители космических объектов. В настоящее время в качестве носителей применяют также выведенные из боезапаса и конверсированные для космических целей боевые ракеты(*), но количество их ограничено.

На сегодняшний день положение дел по решению проблемы построения удобного "лифта" в космос следующее: работы по проектам "HOTOL" (Англия), "SAN-GER-2" (Германия), "ARIANE-5-HERMES" (Франция), "Н2-НОРЕ" (Япония) практически не продвигаются, как и разрабатываемые в России проекты типа "МАКС" (НПО "Молния", старт с транспортного самолета ан 225 "Мрия"), "Бурлак-Диана" (КБ "Радуга", старт с переоборудованного стратегического бомбардировщика Ту-160 СК). Следует подчеркнуть: все эти системы лишь частично многоразовые, ибо в своем большинстве представляют комбинации из элементов космической и авиационной техники.

Нельзя пока признать привлекательными и предлагаемые космические носители полностью многоразового применения самолетного типа с горизонтальным стартом. Такая идея, в основном, исходит из возможности использования прямоточного воздушно-реактивного двигателя и кислорода атмосферы, что на самом деле неоправданно усложняет научно-технические проблемы взлетно- посадочных устройств. Да и затраты на создание подобного двигателя огромны.

Не находит серьезного технического оправдания и рассматриваемая некоторыми специалистами сложная система вертикальной посадки возвращаемого космического корабля. В большей степени она воспринимается как целенаправленная дезинформация.

Выдвигаемая нами концепция взлетно-космической системы (ВКС) имеет свою историю. Она появилась в конце 70-х - начале 80-х годов в порядке альтернативы проекту "Буран".

В отличие от традиционного подхода, императивом в данном варианте выбрана не энергетика топлива и самого корабля, а упрощение и удешевление эксплуатации всей системы с доведением ее качества до уровня авиационных систем. Конечно, некоторые предлагаемые нами решения, при рассмотрении с локальных энергетических позиций, представляются неоптимальными, например, схема продольного размещения ступеней корабля (типа "тандем"), наличие на выводимой на орбиту ступени воздушно- реактивных двигателей, емкостей с остатками топлива для маневра на атмосферном участке. Однако возникающие из-за этого дополнительные расходы компенсируются сокращением других.

Так, при затратах на разработку и изготовление ВКС (порядка 15 млрд. долл.) и использование каждого из входящих в нее 10 кораблей около 500 раз (обслуживание и запуск на орбиту любого из них обойдется порядка 3 млн. долл.), удельная себестоимость вывода на стандартную орбиту 1 кг груза (при полной полезной нагрузке 30 000 кг) будет около 100 долл. Разумеется, в данную цифру вошли только фундаментальные (амортизационные) расходы. К ним нужно добавить затраты на обслуживание и топливо (соответственно 0,1 и 0,15 млн. долл.). Но, как могут убедиться читатели, это практически не увеличивает удельную стоимость вывода 1 кг груза на орбиту.

Выходит, в удельной стоимости запуска на орбиту 1 кг полезного груза в нашем случае превалируют фундаментальные затраты, в то время как у кораблей типа "Шаттл" и "Буран" главными были оперативные. И еще. В себестоимости пуска корабля ВКС доля топлива составляет всего 5%. Этим покрываются все энергетические потери, появляющиеся при предложенной нами оптимизации данной системы.

По результатам предварительной проработки облика и элементов система ВКС "Лифт" выглядит следующим образом.

В ее состав входят: корабль из двух пилотируемых ступеней (разгонной и космической), а также специальный наземный стартовый комплекс. Он обслуживает загрузку и стыковку горизонтально. Заправку топливом и ракетный старт производят при вертикальном положении корабля.

Ступени корабля ВКС имеют сходные аэродинамические формы, изменяемую геометрию крыла (выдвижные элементы вдоль его размаха), системы управления, ориентации и стабилизации в полете. Скорость горизонтальной посадки ступени на обычный аэродром - 285 км/ч (для сравнения: у пассажирского самолета ТУ-154 она составляет 260, у "Шаттла" - 330 км). Длина посадочной полосы не превышает 2500 м.

Применение аэродинамической схемы с управляемыми несущими передними крыльями позволяет использовать широкий диапазон центровок ступеней при наличии или отсутствии на борту остатков топлива и полезной нагрузки.

Обе ступени, кроме маршевых жидкостно-ракетных двигателей (ЖРД), оснащены воздушно-реактивными двигателями самолетного типа, работающими на основном горючем. Их набирают из унифицированных ракетных блоков: на первой ступени из трех, на второй - из двух плюс грузовой. Ракетный блок в силовой схеме - несущий, его размеры укладываются в существующие в производстве технологии и габариты. Блоки разгонной и космической ступеней имеют единый унифицированный ЖРД, но двигатель космической ступени оснащен высотным соплом.

В связи с необходимостью адаптации корабля к полезным нагрузкам от нуля до максимальных величин предусмотрены неполная его заправка компонентами топлива и включение в полете не всех маршевых ЖРД. Резерв мощности и схема размещения последних обеспечивают симметричность вектора тяги во всех случаях, а также при выключении какого-либо из двигателей по команде бортовой диагностической системы.

Воздушно-реактивные двигатели каждой ступени обеспечивают широкий маневр при посадке и самостоятельном автономном полете в самолетном режиме, например, для переброски на другой аэродром. На первой ступени, кроме того, они используются при старте корабля и во время полета на разгонном участке траектории в качестве дополнительного разгонного устройства.

Первую ступень корабля пилотирует экипаж из двух человек, вторую - двух- трех. Их функции - контроль автоматики системы в стартовых условиях, посадки, при перелетах в самолетном режиме между аэродромами, а также операций на орбите.

На каждой ступени предусмотрена своя система спасения экипажа в аварийных ситуациях: на разгонной - вырезанием пирошнуром и увода кабины с экипажем с последующей посадкой ее на парашюте, на космической - с помощью ныне широко применяемого спускаемого модуля типа "Союз".

Каждая ступень имеет шасси, используемое в обычном самолетном режиме, а также при стыковке первой ступени со стартовым устройством и ступеней между собой, служит опорой при поднятии корабля в вертикальное положение. Служит оно и в качестве причального устройства и при стыковке двух ступеней в космосе.

Схема сопряжения между собой разгонной и космической ступеней состоит из опор, размещенных на первой из них, и ответной части на второй (есть и альтернативные варианты).

Схема космического корабля типа "тандем" выбрана из условий упрощения обслуживания отдельных ступеней и ВКС в целом. Для сравнения рассмотрена параллельная схема стыковки ступеней. Конечно, она позволила бы улучшить энергетическое качество корабля. Однако подробный анализ показал: для ее реализации необходимо применить сложные подъемно-транспортные устройства для стыковки, обслуживания, загрузки и вертикального подъема корабля на старте. Далее. Хотя при запуске корабля-"тандема" и в период работы разгонной ступени маршевые ЖРД космической ступени летят "пассажирами", это позволяет выполнить их с оптимальным для энергетики космической ступени высотным расширением сопла, дает определенную экономию ресурса столь дорогостоящих двигателей.

Топливо для обслуживания ВКС выбрано нами также не из условий максимальной удельной энергетической продуктивности, а с точки зрения простоты эксплуатации, экологичности и минимальной стоимости из всех возможных вариантов. Им является топливная пара кислород - пропан или кислород - сжиженный природный газ. Дело в том, что последний, охлажденный приблизительно до температуры жидкого кислорода, упаковывается в топливные емкости не хуже керосина, но дешевле его вдвое, во много раз дешевле водорода (цена соответственно 0,01 и 2,5-4,0 долл. за кг), хотя и ниже его по энергетике. Он не требует сложных специальных конструкторских мер, которые обычно принимаются из-за высокой текучести водорода, а также усиленной теплоизоляции, его можно применять во всех энергетических системах движителей ступеней корабля, входящего в систему ВКС.

Унифицированный маршевый ЖРД для ступеней корабля с земным расширением сопла для первой ступени и высотным расширением для второй отрабатывается на размерность тяги порядка 250 т и эксплуатируется в режиме около 200 т.

Теперь познакомимся со стартовым комплексом. В него входят устройство (подиум), укрытие и установка газообеспечения. Их конструкция позволяет развертывать инфраструктуру без отчуждения земель сверх положенного ныне для авиационных хозяйств.

Подиум служит для горизонтальной стыковки ступеней корабля, подъема его в вертикальное положение, проверки систем, заправки и, наконец, ракетного старта. По сути это стальная, охлаждаемая по внутренним каналам площадка, на которую буксировщик устанавливает первую и вторую ступени.

Для удобства всепогодного горизонтального обслуживания ступеней ВКС во время сборки, размещения полезной нагрузки на грузовой отсек и проведения других работ используется укрытие - легкий ангар, надвигаемый на стартовое устройство вместе с кораблем по рельсовым путям.

Итак, обе ступени ВКС оказались на стартовом подиуме. Каждая из них имеет на борту реперные точки, на которые для стыковки навешивают оптико- электронные матричные мишени. Последние "простреливают" лучом стартового лазерного устройства, при этом формируются команды на поправку положения первой ступени относительно установочных узлов стартового устройства и второй - относительно первой, а само смещение производят с помощью подвижных площадок, на которых стоят шасси ступеней. Затем заправочные устройства подиума соединяют с горловинами топливных баков ракетных блоков, контролируют герметичность всех стыков, проводят горизонтальные проверки других систем ВКС.

Подъем в вертикальное положение корабля ВКС осуществляют гидроподъемники с одновременным учетом деформации постепенно разгружающихся стоек шасси ступеней поправками положения площадок (на основе показаний бортовых оптических мишеней, которые затем удаляют).

При этом положении корабля проводят очередные испытания, в том числе с участием экипажей, повторную проверку герметичности заправочных систем и подготовку к скоростной заправке топливом. Ее, как и последующую расстыковку заправочных устройств, осуществляют в автоматическом режиме (без экипажа на борту).

Теперь с подиумом корабль связан только шасси. В начале запуска его в космос они выходят из зацепления со стартовым устройством и убираются.

После выработки топлива разгонной ступени ее маршевые ЖРД выключаются. Она осуществляет тормозной импульс, выходит из зацепления со второй ступенью и, используя собственные воздушно-реактивные двигатели, садится на аэродром как обычный самолет.

После разделения ступеней маршевые ЖРД включаются у космической ступени, которые работают вплоть до ее выхода на орбиту.

Для схода с орбиты космической ступени ВКС применяется торможение маршевыми двигателями и аэродинамический "скользящий" вход в атмосферу. Кстати, наличие на нем воздушно-реактивных двигателей, а также запаса топлива, достаточного для глубокого маневрирования по дальности и курсу, не требует соблюдения высокой точности траектории спуска.

При необходимости может быть обеспечен аварийный режим схода космической ступени с орбиты путем включения на длительное время ее двигателей ориентации и стабилизации. Возможен также аварийный автономный спуск экипажа с помощью аппарата "Союз", установленного в передней части космической ступени.

Для доведения работ по проекту было бы полезным организовать холдинг - международное конструкторское бюро ВКС (с представительствами в ряде стран), способное собрать воедино новые научные разработки и передовые технологии. Эффективным шагом в части поиска нетрадиционных подходов к конкретным конструкторским проработкам и подготовки кадров высокого уровня для такой международной организации было бы создание на базе авиационных институтов и аэрокосмических университетов ряда стран своеобразного международного студенческого проектного пула.

Можно ожидать, что реализация данной идеи при использовании дешевых международных услуг по доставке в космос, обслуживанию в космосе и возвращению на Землю спутниковых систем, проведению их предполетных испытаний и ремонтно-восстановительных работ непосредственно на орбите, обеспечит коммерческий успех проекта.