Автор: Г. В. МАЛЫШЕВ

Доктор технических наук Г. В. МАЛЫШЕВ, Московский авиационный институт

Использование исследовательских космических аппаратов весом от 1 т и выше, похоже, сокращается, уступая место малым спутникам или, как говорят специалисты, "полезным нагрузкам" в пределах 50 - 400 кг. Очевидно, в ближайшем будущем именно они и будут "править бал". В связи с этим возникает вопрос: как экономичнее и эффективнее их запускать? Разумеется, можно выводить их на орбиту с Земли традиционным способом - тяжелыми ракетами типа "Рокот", "Космос" и др. Но выгодно ли это?

стр. 11

Чтобы спутник вышел на заданную орбиту, он должен набрать первую космическую скорость - 7,8 км/с. А для этого последняя на старте должна быть не менее 9,5 км/с, ибо потери так называемой характеристической скорости при пуске ракеты (гравитационные, аэродинамические, из-за потери тяги в атмосфере) составляют приблизительно 1,7 км/с.

Но есть иной способ старта - над Землей. В этом случае ракету-носитель с полезной нагрузкой устанавливают на самолет. Он поднимает всю систему на высоту 18 - 25 км, с которой и производится пуск. Что мы от этого выигрываем? Во-первых, выведение малых спутников и ракетопланов становится возможным во всех направлениях (все-азимутально) и в любых широтах. Появляется высокая мобильность запуска, а его управление планируется осуществлять с пульта пилота самолета-носителя. Более того, потери характеристической скорости при старте, скажем, с высоты 11 км составляют приблизительно 1,17 км/с, а если "потолок" увеличить до 21 км - то всего около 0,95 км/с, т. е. почти вдвое меньше по сравнению с наземным вариантом.

Дело оставалось за малым - найти подходящий самолет и сконструировать систему "спутник (полезная нагрузка) - ракета-носитель". При решении первой части нашего замысла выбор пал на истребитель МиГ-31С (аналогов в мире у него нет). Эта машина способна перемещаться с грузом на расстояние до 1500 км, что позволяет осуществлять запуски с произвольной широты и любого азимута. Самолет можно использовать в качестве воздушного стартового комплекса малых космических носителей с полезной нагрузкой 100 - 200 кг и вывода ее на круговые орбиты высотой 200 - 300 км при произвольном наклонении. И еще.

Запуск спутников с МиГ-31С с точки зрения энергетических затрат почти втрое экономичнее, чем с Земли.

В ходе подготовки проекта "спутник-ракета-носитель" нам пришлось многое изобретать. В результате анализа двух десятков версий все-таки удалось спроектировать искомое, причем в двух вариантах - двух- и трехступенчатые системы, которые назвали "Микрон". Внешне они схожи и, если посмотреть в анфас, напоминают три стилизованные сигары, плотно прижатые друг к другу, с двумя стабилизаторами в кормовой части.

Конструктивно две крайние ракеты представляют собой первую ступень "Микрона", использующую современные гибридные двигатели относительно низкого давления, т. е. работающие на жидком окислителе и твердом горючем. Верхние их отсеки заполнены жидкой субстанцией, которая, поступая в камеру сгорания под давлением (без использования турбонасосного агрегата), взаимодействует с твердым компонентом. При срабатывании системы воспламенения происходит реакция, и двигатель запускается.

Но не это главное. У специалистов существует понятие удельной тяги, т. е. ее отношение к секундному расходу топлива: чем этот показатель выше, тем эффективнее система. Так вот, если у наземных ракет он колеблется в пределах 300 - 330 с, то в высотном варианте достигает 360 с. Кроме того, наш двигатель допускает гибкое управление: предусматривается его многократное включение и выключение, тягу можно увеличивать или уменьшать или, как говорят специалисты, форсировать и дросселировать. И уж совсем уникальное свойство системы "Микрон" заключается в том, что после отработки первой ступени (для двухступенчатого варианта - это 187 с, тяга - 8 т, для трехступенчатого - соответственно 123 и 8) она не отваливается где попало. С помощью парашюта- крыла ее в автономном режиме или под контролем пилота самолета приземляют в заранее намеченном районе. Вслед за первой включается вторая ступень (средняя "сигара"). В зависимости от количества ступеней она работает 170 или 124 с, хотя в обоих случаях создает тягу в 4 т. Если "Микрон" трехступенчатый, то в действие приводится третья (114 с, тяга - 4 т). В первом варианте масса выводимого на орбиту спутника составляет 110, во втором - 300 кг, вся же система весит около 6,5 т (напомню: при наземном старте - около 20 т). Начальная ее скорость при запуске с высоты 18 - 25 км составляет 680 - 750 м/с.

Все перечисленные характеристики "Микрона" свидетельствуют: в ближайшие 10 - 15 лет ему не будет равных в мире. Весь цикл создания системы по нашему проекту займет около двух лет. А возможности запуска космических объектов с самолета этим не исчерпываются.

В 1998 г. американский фонд "X-PRIZE" объявил международный конкурс на разработку субкосмического корабля научного, спортивного и туристического назначения, в котором принял участие и наш институт. В результате родился проект ракетоплана с условным названием "ARS" ("Aerospace Rally System") - универсальной многоцелевой машины научно-прикладного назначения с суборбитальной областью применения.

Для чего предназначен этот корабль? На нем, во-первых, можно вести исследования процессов в верхних слоях атмосферы (до 130 км) и в невесомости (до 3 мин); во-вторых, тренировать космические экипажи; в- третьих, отрабатывать технику сверхзвукового участка полета, предпосадочного торможения и посадки; в-четвертых, создавать регио-

стр. 12

Схема носителя "Микрон": А - трехступенчатый вариант: 1 - первая ступень; 2 - вторая ступень; 3 - третья ступень; 4 - полезная нагрузка; В - двухступенчатый вариант: 1 - первая ступень; 2 - вторая ступень; 3 - полезная нагрузка.

нальные системы дистанционного зондирования Земли. Наконец, он "приспособлен" к выполнению спортивной программы аэрокосмического ралли и туризма, а также создания высотных праздничных иллюминаций и рекламных эффектов, рассчитанных на многомиллионную публику.

Ракетоплан "ARS", как и "Микрон", поднимается самолетом-носителем МиГ- 31С, который на заданной высоте переходит на траекторию крутого кобрирования (почти вертикально вверх). Тогда и происходит старт космического аппарата: он доразгоняется бортовым двигателем до скорости 1300 м/с, достигая высоты 130 км. Затем возвращается в атмосферу, преодолевая при этом интенсивный нагрев и пик перегрузок. На заключительном этапе "ARS" осуществляет предпосадочный маневр и мягкую посадку на аэродром среднего класса.

Кроме перечисленного, авторы предлагают использовать еще одну новинку. В этом случае двигатель будет работать всего 32 с, поднимая аппарат на высоту до 50 км, дальнейшие же маневры (подъем до 130 км и возвращение на Землю) происходят по инерции. Причем у ракетоплана отсутствуют силовые устройства корректировки движения и практически нет системы управления полетом в классическом ее понимании (что от нее остается - скажу ниже).

Это стало возможным, когда мы нашли оригинальное инженерное решение. Суть его в следующем: двигатель, закрепленный в специальных подшипниках, отработав положенное время, начинает вращаться, создавая гироскопический момент, компенсирующий машине различные возмущения и обеспечивающий устойчивость полета при постоянной ориентации. Это вращение необходимо вплоть до снижения аппарата на высоту 50 км, далее оно прекращается, и за счет аэродинамических сил "ARS" летит как планер, которым "руководит" космонавт с помощью системы ручного управления. Если полет проходит в автоматическом режиме, а ракетоплан находится в пределах радиовидимости поднявшего его самолета-носителя, то эту функцию выполняет летчик.

Пилотируемый "ARS" рассчитан на трех членов экипажа: пилота, бортинженера и штурмана. Его основные технические характеристики: скорость отделения от самолета-носителя - 680 - 750 м/с, а на участке доразгона - 1300; время автономного полета - 25 мин; стартовая масса - 1700 кг. В целом аппарат очень компактный: при размахе крыла 3,7 м его длина составляет всего 5,7, а высота - лишь 1 м. Полет ракетоплана может проходить в двух режимах - штатном, с включением двигательной установки (о чем говорилось выше), и тренировочном, без последней. Второй вариант применяют для психологической и физической подготовки и обучения экипажа аэродинамическому управлению аппаратом, а также для отработки посадки на самолетную полосу или парашютного спуска. В этом случае максимальная высота полета не превышает 40 км.

Наш ракетоплан может стать наиболее совершенным космическим средством воздушного старта для пилотируемых полетов и решения прикладных задач. На нем предполагается установить глобальную навигационную систему ГЛОНАСС. Вместе с тем он будет оборудован надежной техникой внешней связи и нести на себе один из комплексов целевой научно-исследовательской аппаратуры: оптико-электронной для дистанционного зондирования Земли или оборудование для создания рекламных оптических эффектов и др.

Но и это еще не все. Предполагается, что "ARS", с учетом применения самолета-носителя и минимального технического обслуживания, рассчитанный не менее, чем на 200 полетов, обойдется всего в 2 - 3% от стандартной стоимости выведения единицы массы на орбиту. Конструкторы стараются сделать работу всей системы максимально безопасной и планируют дублировать ее наземной службой слежения и управления полетом, а также обеспечить двойное резервирование бортовых систем на каждом из его этапов. Причем пилоту-космонавту будет предоставлена свобода выбора режимов движения, поз-

стр. 13

воляющих регулировать активный разгон, высоту и продолжительность баллистического участка (длительность полета между отключением двигателя и моментом прекращения его вращения). К тому же, в его власти - определять перегрузочные и тепловые режимы входа в плотные слои атмосферы, скорости сверхзвукового полета, предпосадочного торможения и заданную точность посадки.

Помимо новейшего научно-технического оснащения, "ARS" предполагают оборудовать современнейшими системами жизнедеятельности космонавтов, включающими противоперегрузочное кресло, шлем и вентиляционное устройство, высотный противоперегрузочный костюм. Планируется также поставить приборы для обеспечения наддува кабины, регулирования ее газового состава и теплового режима.

Словом, эта система является перспективным направлением суборбитальной космонавтики для отработки участков выведения и посадки различных комплексов. При ее разработке мы использовали последние достижения различных конструкторских направлений: двигателестроения (гибридные двигатели); парашютостроения (парашют-крыло); навигации и управления (ГЛОНАСС, как навигационно-координирующей базы). Если же сюда приплюсовать возможности пилота самолета-носителя как оператора во время старта ракетоплана, полета на баллистическом участке и посадки, то мы получаем суборбитальную систему абсолютно нового качества, пригодную для выполнения различных функций - от изучения динамики верхних слоев атмосферы до систем оперативного наблюдения и доставки грузов в критических ситуациях в недоступные районы.

Рассматриваемая тематика в настоящее время исключительно актуальна. В процессе работы над описанными проектами сложился своеобразный авторский коллектив фанатов, выполняющих отдельные разработки. Скажем, в создании общей концепции, кроме Московского авиационного института, участвовал Международный научно-технический центр полезных нагрузок (Мытищи). Систему жизнеобеспечения и программу подготовки потенциальных спортсменов-космонавтов разрабатывают в Государственном научно- исследовательском институте испытаний и военной меди-

стр. 14

цины. Расчеты аэродинамической компоновки проводят в Центральном аэрогидродинамическом институте им. Н. Е. Жуковского. Конструкторское бюро им. А. И. Микояна адаптирует "Микроны" к самолету-носителю и составило программу испытаний. Научно-исследовательская лаборатория Российского оборонного спортивно-технического общества проектирует систему навигации, управления и телеметрии. Одна из основных составляющих системы - двигатель - детище Федерального государственного унитарного предприятия "Центр им. М. В. Келдыша". И наконец, конструирование, производство и испытание парашюта-крыла взял на себя Научно- исследовательский институт парашютостроения. При обсуждении общей концепции системы большую помощь оказали космонавты В. А. Джанибеков и И. П. Волк.

Микроноситель "Микрон" и система "ARS" во многом родственны. И совместная их разработка может сократить предполагаемые расходы почти на треть. Кроме того, они обладают рядом эксплуатационных достоинств. В частности, им не нужны стартовые сооружения для заправки при подготовке к пуску. Вес и назначение полезной нагрузки можно варьировать за счет начальных условий по координате запуска на Земле, высоте и скорости воздушного старта. Очень важна при этом возможность выводить аппараты в восточном направлении с низких широт. Реализация задуманного позволит значительно (почти вдвое) увеличить вес спутника, выводимого на экваториальную орбиту.

Кстати, учитывая сравнительную дешевизну предпринятых разработок, не исключен запуск серии взаимодействующих спутников ("созвездий") группой самолетов-носителей.

Проекты микроносителей "Микрон" и научно-коммерческой системы "ARS" защищены патентами РФ и включают ряд российских ноу-хау, внедрение которых значительно укрепит позиции отечественной космической отрасли.

Записал А. К. МАЛЬЦЕВ.

Иллюстрации предоставлены автором.

Permanent link to this publication: