Повітряний старт — це перспективний спосіб пуску ракет із борту літаків. Теоретично він має значно знизити вартість пуску та зробити цю процедуру значно гнучкішою і швидшою. Але як показують десятиліття розробок у цій галузі, не все так просто.
Проблеми з наземним пуском
Ракета — вкрай нераціональна конструкція. Звучить досить дивно, чи не так? Але давайте проаналізуємо.
Головний недолік ракети в тому, що вона возить із собою окислювач. У багатьох випадках — той самий кисень, якого навколо — море. Навіть океан, бо недарма ж атмосферу називають повітряним океаном. Той самий кисень, який безкоштовно використовують майже всі живі істоти, майже всі теплові двигуни, та й електричні теж, але опосередковано, через електростанції. Паротяги, тепловози, автомобілі, літаки — всі живляться безкоштовним киснем. А ракети — ні. Вони змушені запасати кисень або інший окислювач у баках, дорогущих кріогенних баках, і мало того, що тягати з собою — так ще й розганяти до космічної швидкості!
Причина проста: вище двадцяти-тридцяти кілометрів кисню майже немає, а летіти треба.
Тому практично в усіх, хто хоч трохи мав справу з космічними носіями, хоча б цікавився ними, рано чи пізно виникає запитання: «А чому б не заощадити? Чому б не підняти ракету на висоту 10–20 км, використовуючи атмосферний кисень? Або й не використовуючи — просто підняти? Або ще й розігнати, додавши до орбітальної швидкості швидкість літака-носія? Дешевше ж вийде!».
Чому повітряний старт не такий вигідний, як здається?
Не вийде. Дешевше точно не вийде, а з великою ймовірністю не вийде взагалі нічого.
Чому так? Давайте порахуємо. Детальні технічні й економічні розрахунки виходять за межі цієї статті, але основне можна прикинути буквально на пальцях.
Почнемо з висоти. Ракета виносить вантаж на 250–300 км. Транспортний літак підніме її на 10–15 км, що складає 3–4% від потрібної висоти. Таким чином, буде заощаджено 3–4% палива та окислювача.
Малувато.
Чи не вдасться заощадити на швидкості? Ракета розганяє корисне навантаження до 8 км/с. Літак розжене ракету до 200–220 м/с, тобто до 2,7% потрібної швидкості. Теж слабувато.
Заплатити ж за цю жалюгідну економію доведеться багато. По-перше, ракету треба буде обмежити в масі. Найпотужніші літаки мають вантажність 100–150 тонн. Маса старенького, ще Корольовим створеного носія Р-7 — 300 тонн, РН «Циклон-2» — близько 190 тонн. Про важковаговиків типу Falcon 9 узагалі краще не згадувати, не влізуть вони у жоден літак. Залишаються невеличкі носії легкого та надлегкого класів масою до 100–120 тонн, але вони й так дешеві. Немає особливого сенсу заощаджувати.
По-друге, ракета має бути створеною спеціально для пусків із літака, а це досить складна інженерна задача. Наземний старт практично не лімітує довжину (чи то пак висоту) ракети, а літак обмежує її розмірами свого фюзеляжу.
Стартові споруди захищають ракету від вітрових навантажень (наприклад, уже згадана Р-7, і без того міцно зафіксована спеціальними кліщами «за шию», майже наполовину схована у бетонному колодязі), а ракета, скинута з літака, потрапляє спочатку в турбулентний струмінь від нього та піддається сильним навантаженням зусібіч.
Якщо ракета кріогенна, себто використовує переохолоджені гази — метан, водень, кисень, що інтенсивно випаровуються, — на землі її можна підживлювати аж до самого моменту старту. Тягати з собою кисневий завод літак не здатний.
Таким чином, ракета для повітряного старту має бути маленька (у випадку використання як носія Ан-124 або С-5 — не більше 36 м, Іл-72 — не більше 24 м). Діаметр теж лімітований — не більше 5 м. Жодних кріогенних компонентів, та й узагалі рідке паливо небажане. Корпус має бути міцний, причому в усіх напрямках. Система стабілізації повинна енергійно, протягом кількох секунд, розвертати ракету носом догори. Якщо це робиться парашутом — має бути додаткова система відведення його зі шляху ракети, або його доведеться якось облітати.
«Гарячий старт» — погана ідея
«Але ж можна вішати ракету під крилом або фюзеляжем і запускати двигун до відокремлення!» — обов’язково хтось обуриться на цьому місці. Правильно обуриться. Можна. Тільки у разі аварії ракети — наприклад, вибуху — згорить і літак. Разом з екіпажем. І якщо для військових цілей ризик такої сумної події вважається більш-менш прийнятним, то заради пуску копійчаного легкого супутника в мирний час знищувати літак і вбивати 5–7 членів екіпажу явно не варто.
Тому ні, «гарячий старт» — вкрай невдала ідея.
Але й такі проекти були.
Це БАКС — «Багаторазова авіаційно-космічна система». Планувалося, що першим її ступенем слугуватиме літак Ан-225 «Мрія», а другим — пілотований чи безпілотний багаторазовий ракетоплан, або ж одноразова ракета з масою корисного навантаження до 18 тонн.
Проект не новий, народився він ще у вісімдесятих роках минулого століття. Час від часу його намагалися реанімувати. Останнє відоме ворушіння з цього приводу відбулося десь у 2008-му, а потім росія почала «вставати з колін» — і все загнулося.
Втім, це був абсолютно божевільний проект, який би загнувся й сам. Навряд чи «Мрія» пережила б хоч один старт зі своєї спини.
Якщо ж підходити до питання реалістично, то вимальовується більш-менш реальний образ ракети з повітряним стартом — легка (до 100 тонн) , невелика, твердопаливна, з масою корисного навантаження 50–500 кг.
Ось така:
Це Pegasus. Єдина на сьогодні система повітряного старту, доведена до серійних пусків. Параметри її ракети далекі від визначених вище максимальних: маса складає лише 18–23 тонн, корисне навантаження — 443 кг. Вона має низку цікавих особливостей: наприклад, на першому етапі польоту керується аеродинамічними органами управління, як звичайний літак. Стартує з переобладнаного авіалайнера.
В експлуатації — так собі. Було здійснено 44 пуски, три з них аварійних. Досить поганий показник. Згаданий вище «Циклон-2» літав більше сотні разів без аварій. Носій приватний, позиціонується як комерційний. Заявлена вартість пуску на початку програми становила вельми заманливі 6 млн доларів, але реальність внесла свої корективи, й у 2017 році вартість склала 57 млн, що трохи забагато як для носія легкого класу. На останні два екземпляри ракети знайти замовників не вдалося. Окремі її частини використали в інших проектах, у тому числі досить цікавих — гіперзвуковому ЛА X-43A та протиракеті GBMD. Обидва проекти заслуговують окремої розповіді, а тим часом згадаймо те, що довести до серії не вдалося.
Операція «Аргус»
Один із цих проектів справді вражає. Йдеться про NOTSNIK. До речі, етимологія назви досить кумедна. Вона зліплена з абревіатури NOTS (Naval Ordnance Test Station) і суфікса -nik. Здогадайтеся, звідки взявся цей суфікс. Підказка — надворі 1957 рік.
Саме так, від «Спутніка». Шоковані успіхом радянського запуску, американські інженери гарячково шукали відповідь. І, як їм тоді здалося, знайшли…
Так ось. NOTSNIK вражає не технічними характеристиками (з ними все гаразд, вони погані), а просто неймовірною сумішшю поспіху, авантюризму, недбалості та поганої організації польотів. Нині таке неможливо. Воно буде забанене на етапі ескізного проекту, керівників судитимуть, а розробники підуть у психотерапевти або на якусь іншу панель.
Сам апарат являв собою маленьку багатоступеневу ракету-носій із повітряним запуском супутника. Оскільки часу на розробку двигунів не було, вирішили використати вже наявні твердопаливні ракети. Коштів теж не було, тому керівники пішли на відверте шахрайство. Щоб отримати фінансування, вони офіційно запропонували вивести на орбіту невеликий супутник для проведення вимірювань під час висотних ядерних випробувань. Вельми вчасно: на серпень 1958 року було заплановано операцію «Аргус» — серію висотних ядерних вибухів.
Пропозиція надійшла більш аніж вчасно. Гроші дали, літальний апарат назвали NOTS-EV-1 і спробували запустити. Результат виявився передбачуваним. Так, усі чотири рази. Під час третьої спроби пілот сказав, що бачив вибух, один із наземних інженерів сказав, що чув слабкий радіосигнал з орбіти. Ще була кінокамера. Інших засобів об’єктивного контролю, схоже, не було.
Настав серпень, успіхів не спостерігалося. Апарат нашвидкуруч модернізували, назвали NOTS-EV-2 Caleb, пообіцяли, що він зможе збивати ворожі супутники та випхали на випробування. Результат був ще більш передбачуваним, аніж із попередником. Так, усі сім разів.
Пускали спочатку з F4D, але це не той F4, що F-4 Phantom II, а інший F4 (із неймінгом у США теж усе гаразд, сам дідько не відразу розбереться), потім запустили ще й із того F4, який «Фантом». Якийсь радянський шпигун у цьому місці остаточно заплутався б та, швидше за все, не став би доповідати в Центр, аби там не кепкували. Можливо, американці також остерігалися насмішок, тому засекретили обидва проекти аж до середини дев’яностих.
А може, й не тому засекретили. А тому, що з цього та інших проектів врешті виросла протисупутникова система ASAT — вельми гнучка, недорога, ефективна й успішно випробувана. І теж із повітряним стартом.
Проект Farside
Але повернімося до теми.
NOTSNIK був не першим. За рік до нього інша ракета стартувала у повітрі й піднялася на такі висоти, про які її розробники не могли навіть мріяти. А чому? Бо розробники тої ракети були ще божевільніші.
Жодних перебільшень. Не можна назвати нормальними людей, які ліплять ракету з того, що вдається дістати, й на щось сподіваються. Північнокорейці скільки разів пробували — завжди падало.
Але у цих не впало.
Проект отримав назву Farside, а ракету для нього зліпили з шести інших експериментальних ракет. Якби в ракетобудуванні існувала традиція записувати склад багатоступеневої ракети формулою, як для паротягів, у цьому разі вона б мала такий вигляд:
4 x Recruit + 1 x Recruit + 4 x Arrow II + 1 x Arrow II
Сама ж ракета була ще страшнішою.
Якісних світлин знайти не вдалося — адже у 1957 році люди не встигали зробити ранковий фотосет сніданку, десяток фото дорогою на роботу й ще стільки ж під час обіду. Але є гарне фото макета. Ось воно:
Вам не боязко таке пускати? Отож!
Теорія надійності підказує нам, що чим більше деталей у конструкції, тим більше шансів на аварію. Творці Farside підтвердили цю тезу експериментально: з шести пусків чотири провалилися, переважно через незапуск частини ракет. Але ті два, що вдалися… що ж, вони вдалися. Було досягнуто висоти 5000 км, що на той момент стало абсолютним рекордом. На жаль, безглуздим. Наукова апаратура, встановлена на верхньому ступені, не спрацювала.
У когось уже виникло питання: що робить висотна, але не орбітальна ракета в статті про повітряний запуск? А ось що. Під час шостого пуску була досягнута швидкість понад 29 тис. км/год, чого цілком би вистачило для виходу на орбіту. І якби розробникам пощастило, то пущена під правильним кутом ракета могла б стати штучним супутником Землі. П’ятий і шостий запуски, 20 та 22 жовтня 1957 року. Через пару тижнів після «Спутніка»…
Якби це сталося, резонанс від «Спутніка» був би значно менший. Мовляв, подумаєш — супутник, он американці теж запускають, причому без особливих труднощів. США, хоч і програвши перший забіг у космічних перегонах, але не з таким ганебним рахунком, не стали б морочитися з висадкою на Місяць. Скоріш за все, не був би створений тефлон (або був би створений значно пізніше). Радянський Союз не отримав би грандіозного козиря у вигляді космонавтики, яким розмахував до самого свого кінця і який істотним чином гальванізував космонавтику пострадянської росії.
Вся новітня історія могла б піти іншим шляхом.
Але дива не сталося. Farside не дістався орбіти.
SpaceShipOne
Ідея запуску носія з літака чи навіть зі стратостата, однак, жива і ворушиться. Кількість проектів перевалила за пару десятків. Щоправда, переважна більшість апаратів не призначена для виходу на орбіту. З усіх них варті уваги експериментальний ракетоплан X-15 (про нього, гадаю, всі знають), а з серійних — звичайно, SpaceShipOne.
1996 року фонд X-Prize оголосив конкурс на створення багаторазового космічного апарата, здатного здійснити два пілотованих польоти в космос протягом двох тижнів. Однією з умов було те, що жоден із членів екіпажу не мав постраждати.
На конкурс було подано зо три десятки заявок різного ступеня несерйозності, але серед учасників трапився Берт Рутан. Звичайно, він виграв.
У його конструкції божевільне все — від концепції до зовнішнього вигляду. Рутан геній, йому можна. Божевільної форми літак, із фюзеляжем, усіяним ілюмінаторами, наче мухомор цятками, піднімав у небо ракетоплан такого ж мухомористого вигляду. Паливом служила гумоподібна речовина на основі полібутадієну, окислювачем — закис азоту. Так-так, той самий газ, від малих доз якого люди регочуть, а від великих стає не до сміху.
Схоже, Рутан підібрав вдале дозування. SpaceShipOne здійснив 17 польотів, під час трьох з яких перетнув лінію Кармана, а отже — побував у космосі. Його нащадки — ракетоплани SpaceShipTwo та Unity — зараз катають пасажирів по кілька разів на рік. Політ коштує пів мільйона. Дорогувато, але воно того варте.
Коня кують — а жаба лапку підставляє. Серед поданих на конкурс заявок була й російська. Сміливість розробки перевершила всі сподівання. Планувалося змонтувати космічний корабель на спині літака М-55, створеного, між іншим, для боротьби з висотними розвідувальними аеростатами, й на висоті 17 км запускати його в космос за допомогою ракетних прискорювачів. Проект назвали Cosmopolis-XXI, очевидно, натякаючи на амбітні плани компанії.
Але при тому розумно обмежилися гарною презентацією та фанерним макетом.
Правильно зробили. Літати це одоробло могло тільки зверху вниз, а спроба увімкнути прискорювачі, скоріш за все, скінчилася б катастрофою літака-носія.
Шкода, що не спробували.
Чому насправді повітряний старт — гарна ідея?
«То що? — розчаровано спитає той, хто дістався цього абзацу. — В ідеї повітряного старту немає нічого хорошого?».
Є. Безкосмодромність.
Найбільша проблема космонавтики полягає не в тому, щоб вивести щось на орбіту — це виявилось не таким уже й складним. Проблема в тому, що виводити нема звідки.
Космодром — це не лише могутній (і дорогий) стартовий комплекс. Це насамперед тисячі гектарів землі, на які може впасти аварійна ракета, відпрацьований ступінь, головний обтічник або ще щось. На які регулярно розливається токсичне паливо. Які може безповоротно забруднити радіоактивний шматок плутонію. Де не можна будувати й займатися сільським господарством. Та навіть і заблукати в таких місцях не рекомендується, хоча вештаються люди й там.
Усі гарні місця, придатні для будівництва космодромів, уже зайняті. Ті, які ще не зайняті, або розташовані в такому кліматі, де й собака не виживе, або десь неподалік заповідник, або взагалі війна.
Половина європейських країн мають можливість здійснювати орбітальні пуски, але не мають де. Можливо, гризуть собі лікті, шкодуючи про колонії в Африці та на островах. Але повернення до епохи колоніалізму виборці не зрозуміють, тому живуть без космодромів.
А вихід є. Він поруч, точніше — над головою. Літак може доправити ракету до пустельного місця, вигідного з точки зору потрібного нахилу орбіти, у вигідний для пускового вікна час. Запустити. В разі аварії нікого не вбити, не «засіяти» чиїсь володіння уламками з подальшою компенсацією. Застрахувати пуск по недорогій страховій сітці, а не в дорогущому міжнародному страховому картелі за найвищим тарифом.
Навіть більше. Під час війни літак може працювати в режимі «зліт-посадка» щодоби, або й кілька разів на добу — аби лише електронна промисловість встигала клепати супутники радіорозвідки. Дешеві, ненадійні, масові, низькоорбітальні — але щоб ширяли над полем бою весь час і пеленгували кожен вихід в ефір.
Ех, як не вистачає нам зараз такої можливості! Як шкода, що всі три або й навіть чотири українські проекти повітряного старту не знайшли підтримки уряду й інвесторів! Що ж, тепер платимо за цю помилку кров’ю.
Втім, ще не пізно.
Наступні статті будуть присвячені саме українським варіантам повітряного старту, і можливо, хтось із читачів урешті докладеться до їхньої реалізації у металі. Або в композиті. Або в якомусь новітньому наноматеріалі.
Аби полетіло!
Радій Радутний, український письменник
Тільки найцікавіші новини та факти в нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
