Первое крылатое поколение: фальстарт

Как известно, первые корабли, выведшие человека в космос, имели спускаемые аппараты в виде капсул – одноразовых, с очень малым аэродинамическим качеством, с испаряющейся термозащитой, с парашютной посадкой. Они используются, впрочем, до сих пор. Спуск людей с орбиты в таких аппаратах напоминает не столько триумфальное возвращение домой героев-покорителей космоса, сколько сброс продовольствия рыбакам, терпящим бедствие на отколовшейся льдине.

Но первые конструкторы космической техники первоначально представляли себе это далеко не так. В проектах Вернера фон Брауна конца 1940-х – начала 1950-х годов две ступени ракеты-носителя разгоняли третью – крылатую. Сергей Королев еще в 1957 году считал парашютную посадку бесперспективной, а правильной – планирующую, с использованием аэродинамической подъемной силы.

Тем не менее логика соревнования сверхдержав диктовала свое: первым необходимым условием была надежность, вторым – сроки. И пришлось выбирать парашютные капсулы...

Однако преимущества многоразовой маневрирующей орбитальной ступени были очевидны, и работы над такими системами шли еще в 1950-х годах, параллельно созданию «Востоков» и «Меркьюри».

Мясищевский М-46 – ракетоплан в варианте космического бомбардировщика (фото: emz-m.ru)

Наши работы тогда не вышли из стадии эскизных проектов. Среди них был известный «лапоток» Павла Цыбина; мясищевские М-46 и М-48; туполевский Ту-136; целая программа маневрирующих ракетопланов Владимира Челомея.

На этом этапе американцы продвинулись значительно дальше.

Первой громкую известность получила программа фирмы «Боинг» под названием «Дайна Сор» – пятитонный бездвигательный самолет-«бесхвостка» с треугольным крылом. Результатом должен был стать серийный аппарат с множеством функций: разведчик, истребитель спутников, снабженец для орбитальных станций, даже орбитальный бомбардировщик.

Начавшись в 1957 году, в 1962-м программа привела к демонстрации заказчику полноразмерного макета. ВВС даже заказали строительство 10 экземпляров, даже присвоили им свои номера... Но ни одного полета по программе «Дайна Сор» не состоялось. Осознав сложность задачи, американцы умерили аппетиты.

И, наконец, в 1972 году отделение «Спейс Дивижн» компании «Норт Америкен Рокуэл» получило шестилетний контракт суммой 2,6 млрд долларов на разработку космической транспортной системы «Спейс Шаттл»... Время маленьких ракетопланов заканчивалось.

Многоразовые фантазии 1960-х

Напомним, все вышеописанные проекты подразумевали «многоразовость» только для орбитальной ступени; носители имелись в виду традиционные. Однако выгоды многоразового использования дорогостоящей техники слишком очевидны, чтобы инженеры могли пройти мимо них. Проектов было много, все они подразумевали горизонтальную посадку ступеней; большинство из них выглядят недостижимой мечтой и сегодня.

Из тех, что можно было бы назвать сравнительно реальными, – проект многоразового «Сатурна-5». Всем известна эта ракета, сделавшая возможной американскую лунную программу. Гораздо менее известно, что предлагалось несколько вариантов превращения ее в многоразовую. Один из них заключался в установке на первую и вторую ступени крыльев с большими законцовками, отогнутыми вверх и игравшими роль килей с рулями направления.

Другие системы были куда более футуристичны. Например, «Астророкет» фирмы «Мартин» представлял собой две дельтавидных «бесхвостки», прижатые крыльями одна к другой, наподобие бутерброда. Разгонная ступень немного побольше, орбитальная – поменьше; взлет вертикальный, посадка обеих ступеней – самолетная.

«Астро» фирмы «Дуглас» выглядела по-другому. Обе ступени тоже были похожи друг на друга, но выглядели не как обычные самолеты с фюзеляжами, а как летающие крылья треугольной формы.

«Конвэр» предлагал систему трехступенчатую, собранную по пакетной схеме; похожие друг на друга ступени стыковались бортами. Периферийные были разгонными, центральная – орбитальной; все садились с помощью выдвижных крыльев, все имели турбовентиляторные двигатели для предпосадочного полета.

Но давайте лучше перейдем тоже к фантазиям, но уже с горизонтальным стартом.

В чем преимущество горизонтального старта перед вертикальным? 392-тонный «Руслан» поднимают в воздух четыре двигателя с суммарной максимальной тягой 93,6 тонны. Для вертикального же старта конструкции такого веса нужна тяга порядка 500 тонн. Потому что при горизонтальном старте используется такой мощный ресурс, как аэродинамическая сила. Система вертикального старта, даже если у нее есть крыло, при выходе на орбиту или совсем не использует этот ресурс, или использует его в незначительной степени.

В НАСА, в Центре имени Дж. Маршалла, прорабатывали двухступенчатую схему для доставки на орбитальную станцию грузов и экипажей в количестве 12–14 человек. Система состояла из двух похожих, но разновеликих самолетов с треугольным крылом. Орбитальная ступень снабжалась лишь ракетным двигателем и садилась, планируя; разгонщик мог дополнительно иметь воздушно-реактивные двигатели.

«Боинг» занимался целой последовательностью космических транспортных систем будущего. Сначала – вертикально-ракетная система с крыльями для возвращения. Далее – ракетные носители с горизонтальным взлетом. Наконец, высшая точка обозримого развития – система с носителем с воздушно-реактивными двигателями, где разгонщик выносит орбитальную ступень на высоту 30 км.

Отлично... только очень дорого. Собственная оценка «Боинга» показывала, что один лишь самолет-носитель обойдется в 1 млрд долларов – не сегодняшних, а тогдашних, «образца 1960-х годов». Может быть, поэтому «Боинг» в кооперации с «Локхидом» прорабатывал менее амбициозный проект двухступенчатого самолета меньшей размерности.

Предтечи «шаттла»

В заключение рассказа о «горизонтальных многоразах» дошаттловой эпохи надо сказать о двух проектах, продвинувшихся дальше всех. Тем более что один из них – наш.

Речь идет о системе «Спираль», которая разрабатывалась в 1960–70-х годах под руководством Глеба Евгеньевича Лозино-Лозинского. Система эта состояла из трех элементов.

Первый – гиперзвуковой самолет-разгонщик. Он предполагался в двух вариантах: с обычными турбореактивными двигателями, рассчитанный на достижение скорости М=4, и с перспективными водородными, обещавшими скорость до М=6. Его разработка продвинулась не очень далеко. Но дальновидный Лозино-Лозинский, понимая, что здесь заложена очень высокая степень технического риска, имел в виду и «обыкновенное» ракетное выведение орбитальной ступени, хотя и не слишком это афишировал. Эта последняя представляла собой небольшой самолет с несущим корпусом и небольшими складывающимися крыльями, а также с турбореактивным двигателем для атмосферного маневрирования. Поскольку своего мощного ЖРД у нее не было – он, с необходимым запасом топлива, совершенно не вписывался в «развесовку» системы, – в ее состав входил третий элемент – ракетный разгонный блок.

Martin Marietta X-24A, построенный в рамках экспериментальной военной программы США с 1963-го по 1975 год (фото: nasa.org)

Был изготовлен и в первой половине 1970-х годов испытывался прототип орбитальной ступени первого этапа – дозвуковой. Назывался он ЭПОС – экспериментальный пилотируемый орбитальный самолет. Его поднимали на Ту-95 и отпускали в свободный полет; несколько взлетов он совершил самостоятельно, при помощи собственного ТРД.

В США в конце 1960-х годов по программе «космического такси» для маршрута «Земля – орбитальная станция – Земля» ВВС разрабатывался аппарат SV-5 фирмы «Мартин Мариетта». Получивший индекс Х-24А, он был типичным «несущим корпусом» с округлой носовой частью, очень небольшими крылышками и с ЖРД с тягой около 4 тонн. Лучший результат из 28 полетов – максимальная скорость М=1,6, высота 21 800 м. Его наследник, Х-24В, со своим «нормальным» крылом и заостренной носовой частью был уже совсем похож на самолет. Свою последнюю посадку Х-24В совершил 26 ноября 1975 года; всего состоялось 64 полета, достигнуты скорость М=1,76 и высота 22 400 м.

Конечно, можно было построить следующий экземпляр, с другой обшивкой. Равным образом можно было продолжить тему «Спираль»; более того, гиперзвуковой «продолжатель» ЭПОСа уже собирался в заводском цеху. Но это была уже середина 1970-х годов. В это время Америка уже строила «Спейс шаттл», а наши разработчики, перебрав и отклонив собственные варианты, нацелились его копировать.

Выбор был сделан, финансирование «поисковых вариантов» прекратилось.

Шаттл и «Буран»

Нет секрета в том, что советское руководство практически приказало космической отрасли скопировать систему «Спейс шаттл». Основным мотивом стало опасение резко отстать от США по возможностям обеспечения доставки грузов на орбиту и обратно. У нас не могли понять, зачем американцам нужен такой большой корабль – он был способен даже снять с орбиты наши «Салюты». Пятерка шаттлов могла выводить на орбиту до 1770 тонн в год, притом что реальный грузопоток США в то время составлял всего 150 тонн в год.  В условиях «великого противостояния» это было более чем тревожно. Именно эта неопределенность заставила копировать «Спейс шаттл».

Шаттл Endeavour во время миссии STS-134 19 мая 2011 года (фото: EPA/ИТАР-ТАСС)

Основной частью системы «Спейс шаттл» была орбитальная ступень – 80-тонный корабль, способный разместить в своем грузоотсеке нагрузку до 29,5 тонн и привезти на Землю 14,5 тонн. На ступени размещались мощные маршевые двигатели, и она представляла собой активную часть второй ступени системы. Пассивной частью был огромный топливный отсек – фактически подвесной бак для орбитера, на котором последний крепился сбоку.

Орбитальная ступень вместе со своими двигателями была многоразовой, топливный отсек – одноразовым. Первую ступень составляли два гигантских твердотопливных ускорителя (ТТУ), также многоразовых.

Советская наука и промышленность не имели опыта в создании столь больших твердотопливных ракет, поэтому сразу было решено, что для нашей системы вместо двух ТТУ будут разработаны четыре жидкостных ракетных блока – блоки «А». На первом этапе это было единственное концептуальное отличие «Бурана» от шаттла. Маршевые ЖРД, как и на последнем, размещались на орбитальной ступени, называвшейся тогда ОС-120.

Однако такое решение тоже несло в себе массу трудностей. Кроме того, Валентин Петрович Глушко, возглавивший всю кооперацию, очень хотел сделать мощную ракету – он продолжал мечтать о Луне...

В результате появился вариант системы с орбитальной ступенью ОК-92. На ней уже не было маршевых двигателей. Перенесенные на топливный отсек, они обусловили превращение его в полноценную ракету-носитель сверхтяжелого класса – знаменитую «Энергию». ОК-92, утратив твердотопливный двигатель системы аварийного спасения, воздушно-реактивные двигатели атмосферного маневрирования, претерпев ряд других изменений, более или менее крупных, превратился в тот «Буран», который летал по околоземной орбите 15 ноября 1988 года.

Орбитальный космический корабль «Буран» во время приземления 15 ноября 1988 года (фото: ИТАР-ТАСС)

Посадка «Бурана» стала подлинным триумфом нашей науки и техники. Дело в том, что все до одной посадки шаттлов проводились летчиками, а наш корабль сел под управлением автоматики. И не надо думать, что это было нечто подобное радиоуправлению авиамоделью. Все расчеты выполнялись бортовой программой «Бурана» по данным бортовых и внешних датчиковых систем. И достигнутая точность – 5,8 м от оси ВПП и 15 м по дальности – это действительно триумф.

Не забывайте – это было 25 лет назад! Это сейчас публику не удивляют автоматические посадки беспилотников – хотя, честное слово, там есть чему удивляться. Тогда же этого не делал никто. Кроме нас.

Судьба нашего «Бурана» хорошо известна. Впрочем, хорошо известна и судьба системы «Спейс шатл». И именно по ней можно судить, насколько успешна и уместна была такая программа – программа тяжелого многоразового пилотируемого «космического грузовика».

Многоразовость в ходе эксплуатации существенно снизилась. Хотя, надо сказать, кратность применения ТТУ с самого начала была принята не 100 пусков, как у орбитальной ступени, а всего 20. А вот кратность использования ЖРД орбитера с первоначальных 55 раз была снижена до 20, а потом и до 10.

Межполетное обслуживание оказалось чрезвычайно долгим и дорогим – некоторые агрегаты, в том числе ЖРД, было признано необходимым разбирать чуть не до винтика. Стоимость переоснащения ТТУ составила 42% от стоимости изготовления «с нуля». В общем, от представлявшейся когда-то почти самолетной эксплуатации не осталось и следа.

В результате экономическая эффективность оказалась исключительно низкой. В самом начале программы она предполагалась – 220 долларов за килограмм груза на орбите; в реальности же оказалось – 12–20 тыс. долларов. Такую разницу инфляцией не объяснишь... Одноразовые ракеты делали то же самое за цену от 3000 долларов; килограмм на «Протоне» на рубеже тысячелетий стоил примерно 6000 долларов.

Два орбитера: «Челленджер» и «Колумбия» – были потеряны в катастрофах, это лишний раз доказывает, что система «Спейс шаттл» – не в идее, а в реализованном виде – не лучший вариант «рабочей лошадки» для деятельности человека в космосе.

Проектировщики системы закладывали 514 полетов пяти орбитеров в течение 10 лет. Эксплуатация шаттлов продолжалась втрое дольше – 30 лет; но полетов состоялось втрое меньше – 135. Все они вместе доставили на орбиту 1600 тонн грузов – вспомним 1770 тонн в год, на которые они в принципе способны. Кстати, вот и средняя величина нагрузки: 1600 тонн за 135 полетов – это в среднем около 12 тонн за раз – меньше половины полной грузоподъемности, равной, как мы помним, 29,5 тоннам...

Отсюда следует вывод. Энтузиазм 1960–70-х годов оказался неоправданным. Оказалось, что космос нужен человечеству гораздо меньше, чем думалось тогда. Лунно-марсианская инициатива Буша-младшего (2004 год) на сегодняшний день выглядит неактуальной, а то, что такую же выдвигал еще его отец (1989 год), вообще забыто. МКС функционирует, но уже назначаются сроки ее «закрытия». Отечественные планы такого рода пока тоже выглядят малообеспеченными... Похоже, один Китай со своими «Тяньгунами» (долговременными орбитальными станциями) еще имеет и реализует экспансивную программу пилотируемой космонавтики.

А техника? Интереснейшие программы 1980–90-х годов закончились ничем. Америка, тихо похоронив великолепный «Венчурстар» – большой одноступенчатый космический самолет, – перешла было к маленьким, с обычным ракетным выведением «шлюпкам» для МКС – хотя бы многоразовым и маневрирующим. Однако передумала и сосредоточилась на проекте «Созвездие», в состав которого входил космический корабль «Орион» – пусть многоразовая, но концептуально – та же капсула, что и аппараты 50-летней давности. «Созвездие» тоже предполагало Луну с Марсом, но было закрыто. «Орион» пока остался...

Россия, выступив с крылатым «Клипером» – тоже, надо сказать, шагом назад по сравнению с «Бураном», – вскорости лишила его крыльев, оставив традиционный (чтобы не сказать – устаревший) парашют, а затем и совсем отказалась от этой разработки. И теперь «космический корабль нового поколения» – примерно такая же капсула, как американский «Орион»...

Чего ждать в таких условиях? Можно ли воссоздать «Буран», может ли это понадобиться?

Заглянем в будущее

В конце сентября, на выставке Russian Arms Expo-2013 в Нижнем Тагиле, вице-премьер Рогозин сказал, что стране необходимо вернуться к строительству космических кораблей, подобных «Бурану».

Что он имел в виду? Прямое повторение «Бурана»? Вряд ли.

Во-первых, это физически невозможно. Кооперацию, включавшую более миллиона человек, более 1200 предприятий едва ли не во всех республиках СССР, – эту кооперацию восстановить невозможно.

Во-вторых, все-таки «Буран» – это технологии конца 1970-х годов. Замена же их новыми, более чем вероятно, потребует как минимум модификации старых, а тогда – в чем смысл повторения?

В-третьих, остается отнюдь не пустяковая проблема востребованности. Рогозин сказал: необходимо вернуться. А зачем – не сказал. Какие он видит задачи для космической системы с годовой производительностью около 2000 тонн на орбите? Вкладывать триллионы, не зная, зачем это нужно?

Но главное – в-четвертых. И шаттл, и «Буран» были неоптимальны. Зачем возить людей вместе с грузами, если первые требуют предельной надежности системы, а вторые – экономически обоснованной; а это далеко не одно и то же. Зачем иметь под все задачи единственную транспортную систему – огромный дорогущий корабль, чья грузоподъемность во многих случаях кратно избыточна?

Для уровня технического совершенства, достигнутого на каждый данный момент, можно построить зависимости, определяющий тип системы, оптимальный для данного класса задач. В качестве переменных выступают масса полезного груза, частота пусков, заданный уровень надежности и другие величины. А «на выходе» имеем рекомендацию, какую систему делать, одноразовую или многоразовую.

Такой анализ, конечно, проводился, и не один, не одной группой специалистов. Для сегодняшнего технического уровня, при той интенсивности орбитальной деятельности, которую можно ожидать в ближайшие пару десятилетий, получается примерно вот что.

Для выведения больших грузов, типа модулей орбитальных станций, приборов вроде «Хаббла», для особо масштабных межпланетных исследовательских экспедиций нужны тяжелые ОДНОРАЗОВЫЕ носители. Требуемая от них надежность соотносится со стоимостью полезного груза, а также с практикой страхования космической деятельности.

Для доставки экипажей на станции, отдельных непродолжительных экспериментов в космосе нужны маленькие, в высшей степени надежные МНОГОРАЗОВЫЕ корабли.

Для текущего снабжения станций, выведения обычных спутников связи, навигации и т. п. на сегодня все еще эффективны ОДНОРАЗОВЫЕ ракеты-носители среднего класса.

Надо еще учесть, что там, где мы пишем сейчас «одноразовые», скоро появятся системы частично многоразовые. Хорошим примером может служить МРКС – многоразовая ракетно-космическая система, разработка которой ведется в Центре им. Хруничева. Причем ведется не по собственной инициативе, а с государственным финансированием; то есть все серьезно. Первая ступень МРКС состоит из нескольких ракетных блоков, садящихся на аэродром при помощи выдвижного крыла и турбореактивного двигателя.

Об этом нечасто упоминается, но блоки «А» – те самые, которые составляли первую ступень сверхтяжелой РН «Энергия», – тоже должны были стать многоразовыми. В их конструкции были предусмотрены посадочные опоры, парашюты и ракетные двигатели мягкой посадки.

Можно помянуть и носитель легкого класса «Фолкен-1» компании «Спейс-Х» с возможностью спасения первой ступени – хотя до последнего времени практически подтвердить эту возможность не удавалось. И тяжелую ракету «Фолкен-9» той же компании – сейчас идут очень интересные работы с исследовательским аппаратом «Грассхоппер», представляющим собой первую ступень этой ракеты, которую «учат» вертикально садиться на реактивной струе собственного маршевого двигателя.

Таким, сочетающим одноразовые, многоразовые и частично многоразовые аппараты, может стать новое поколение техники для работы в ближнем космосе.

Многоразовые пилотируемые корабли следующего поколения – это наш пилотируемый транспортный корабль нового поколения (ПТК НП) и американский «Орион». Выше мы их уже упоминали: и тот, и другой представляют собой капсулы с ограниченной способностью к маневрированию. Правда, по «человекоемкости» они значительно превосходят, скажем, «Союзы», а если для них сохранят те задачи, которые ставятся сейчас, то превзойдут их также по длительности автономного полета.

Если говорить о ракетах-носителях, то самое интересное, что может ждать нас с вами в ближайшем десятилетии, – это, пожалуй, становление РН «Ангара» в нескольких «весовых категориях». Корпорация «Энергия» тоже время от времени сообщает о своих планах по этой части. Этим летом, в частности, предметом бесед с прессой была сверхтяжелая ракета на базе технологий РН «Энергия», ориентированная на лунную экспедицию. Что тут скажешь? Посмотрим...

Таким образом, получается, что близкую околоземную перспективу составляют машины, сделанные с употреблением новейших технологий, но по старой концепции. По консервативной концепции, далеко уступающей в дерзости концепции шаттла и «Бурана».

Но, похоже, сейчас это именно то, что нужно.

Наши «Союзы», при всех их замечательных достоинствах, крайне устарели. У американцев вообще нет средств доставки людей. В таких условиях затевать программу какого-нибудь продвинутого космоплана, длиной лет в 15–20, да еще без гарантированного результата, – волнительно. Так, глядишь, лидерами пилотируемой космонавтики станут китайцы...

А то и вообще частники.

Частный транспортный космический корабль Dragon SpaceX (фото: nasa.gov)

А что? Вполне возможно и это. Корабль «Дрэгон» фирмы «Спейс-Х» (помните носители «Фолкэн»?) уже стыковался с МКС. Да, в беспилотном варианте; но разрабатывался он как пилотируемый и, думается, вполне может таковым стать. И выводится он ракетой «Фолкэн-9» – частная фирма создала полноценную космическую транспортную систему!

Тут надо сказать о самом понятии «частная космонавтика». Компания «Спейс-Х» – частная; но ведь «Локхид Мартин», разрабатывающая «Орион», – тоже частная компания. И вообще, все основные подрядчики НАСА и ЕКА были и остаются частными компаниями. В чем разница?

В том, что, когда, например, США реализовали свою великую лунную программу, частные компании-гиганты получали через НАСА заказ от государства и от него же – бюджет. Все с самого начала и до конца оплачивалось государством.

А, например, «Дрэгон» и «Фолкэн» – в них тоже есть государственные деньги. Только они, во-первых, составляют далеко не всю сумму расходов; во-вторых, порядок их выделения представляет собой род грантовой системы. То есть здесь имеет место не финансирование, а софинансирование, а иногда даже просто оплата услуг – когда правительственное ведомство покупает пуски у частной компании, предлагающей свой носитель и/или космический аппарат.

По этому принципу к частной космонавтике относится и новая разработка фирмы «Боинг» – космический корабль CST-100. Это семиместная капсула 10-кратного применения с парашютом для снижения и надувными подушками для финальной стадии посадки.

CST-100 и «Дрэгон» – два «стипендиата» НАСА в рамках конкурсной разработки космического корабля для околоземной орбиты. Всего же их четыре.

Трехместный «Нью Шепард» фирмы «Блю Ориджин» интересен тем, что спроектирован по схеме с вертикальной ракетной посадкой. Этот проект получил меньше всех государственных денег, основные расходы несет основатель фирмы, миллиардер Джеффри Бэзос. Корабль пока делается как суборбитальный, но в планах – превращение его в полноценную орбитальную машину.

Наконец, «Дрим Чейзер» от «Сьерра Невада корп.». Это уже совсем «авангард»: семиместный крылатый ракетоплан с самолетной посадкой.

Победит ли «Орион» или «частники» в США; сосредоточится ли Россия на ПТК НП, или удастся еще раз попытать счастья проекту многоразового корабля, предлагавшемуся Центром им. Хруничева, – это не так уж важно. Важно – чтобы эти корабли, более или менее архаичные по концепции, были сделаны.

Они должны обеспечить непрерывность космической деятельности человека на ближайшие годы; и, в сущности, если они это сделают, то какая разница, капсулы они или что-то более продвинутое? Под их прикрытием можно будет не спеша, по-хорошему создавать, а лет через 15 и создать крылатые многоразовые корабли типа «Клипера». Собственно, так и делается; один из примеров тому – американская программа Х-37, на аппаратах которой отрабатываются как раз технологии для будущего многоразового «космического такси».

А когда орбитальная деятельность, организованная при помощи этих средств, приобретет большой размах; когда они приведут человека на Луну и обеспечат строительство базы, а там, глядишь, добычу гелия-3 для земной энергетики, – вот тогда придет время больших многоразовых грузовиков, скорее всего, беспилотных. Тогда и пригодятся наработки, полученные в процессе создания «Бурана». И даже более ранних проектов – ведь некоторые технические решения, разработанные для них, настолько хороши, что вполне могут сохранить актуальность и через полвека.