Воздушный старт — это перспективный способ пуска ракет с борта самолетов. Теоретически он должен значительно снизить стоимость пуска и сделать эту процедуру значительно более гибкой и быстрой. Но как показывают десятилетия разработок в этой области, не все так просто.
Проблемы с наземным пуском
Ракета — крайне нерациональная конструкция. Звучит довольно странно, не так ли? Но давайте проанализируем.
Главный недостаток ракеты в том, что она возит с собой окислитель. Во многих случаях — тот самый кислород, которого вокруг — море. Даже океан, потому что недаром же атмосферу называют воздушным океаном. Тот самый кислород, который бесплатно используют почти все живые существа, почти все тепловые двигатели, да и электрические тоже, но опосредованно, через электростанции. Паровозы, тепловозы, автомобили, самолеты — все питаются бесплатным кислородом. А ракеты — нет. Они вынуждены запасать кислород или другой окислитель в баках, дорогущих криогенных баках, и мало того, что таскать с собой — так еще и разгонять до космической скорости!
Причина проста: выше двадцати-тридцати километров кислорода почти нет, а лететь надо.
Поэтому практически у всех, кто хоть немного имел дело с космическими носителями, хотя бы интересовался ими, рано или поздно возникает вопрос: «А почему бы не сэкономить? Почему бы не поднять ракету на высоту 10–20 км, используя атмосферный кислород? Или и не используя — просто поднять? Или еще и разогнать, добавив к орбитальной скорости скорость самолета-носителя? Дешевле же получится!».
Почему воздушный старт не так выгоден, как кажется?
Не получится. Дешевле точно не получится, а с большой вероятностью не получится вообще ничего.
Почему так? Давайте посчитаем. Подробные технические и экономические расчеты выходят за пределы этой статьи, но основное можно прикинуть буквально на пальцах.
Начнем с высоты. Ракета выносит груз на 250–300 км. Транспортный самолет поднимет ее на 10–15 км, что составляет 3–4% от нужной высоты. Таким образом, будет сэкономлено 3–4% топлива и окислителя.
Маловато.
Не удастся ли сэкономить на скорости? Ракета разгоняет полезную нагрузку до 8 км/с. Самолет разгонит ракету до 200–220 м/с, то есть до 2,7% нужной скорости. Тоже слабовато.
Заплатить же за эту жалкую экономию придется много. Во-первых, ракету надо будет ограничить в массе. Самые мощные самолеты имеют грузоподъемность 100–150 тонн. Масса старенького, еще Королевым созданного носителя Р-7 — 300 тонн, РН «Циклон-2» — около 190 тонн. О тяжеловесах типа Falcone 9 вообще лучше не вспоминать, не влезут они ни в один самолет. Остаются небольшие носители легкого и сверхлегкого классов массой до 100–120 тонн, но они и так дешевые. Нет особого смысла экономить.
Во-вторых, ракета должна быть создана специально для пусков с самолета, а это достаточно сложная инженерная задача. Наземный старт практически не лимитирует длину (то бишь высоту) ракеты, а самолет ограничивает ее размерами своего фюзеляжа.
Стартовые сооружения защищают ракету от ветровых нагрузок (например, уже упомянутая Р-7, и без того крепко зафиксированная специальными клещами «за шею», почти наполовину спрятана в бетонном колодце), а ракета, сброшенная с самолета, попадает сначала в турбулентную струю от него и подвергается сильным нагрузкам со всех сторон.
Если ракета криогенная, то есть использует переохлажденные газы — метан, водород, кислород, которые интенсивно испаряются, — на земле ее можно подпитывать вплоть до самого момента старта. Таскать с собой кислородный завод самолет не способен.
Таким образом, ракета для воздушного старта должна быть маленькая (в случае использования в качестве носителя Ан-124 или С-5 — не более 36 м, Ил-72 — не более 24 м). Диаметр тоже лимитирован — не более 5 м. Никаких криогенных компонентов, да и вообще жидкое топливо нежелательно. Корпус должен быть прочный, причем во всех направлениях. Система стабилизации должна энергично, в течение нескольких секунд, разворачивать ракету носом вверх. Если это делается парашютом — должна быть дополнительная система отвода его с пути ракеты, или его придется как-то облетать.
«Горячий старт» — плохая идея
«Но ведь можно вешать ракету под крылом или фюзеляжем и запускать двигатель до отделения!» — обязательно кто-то возмутится на этом месте. Правильно возмутится. Можно. Только в случае аварии ракеты (например, взрыва) сгорит и самолет. Вместе с экипажем. И если для военных целей риск такого печального события считается более-менее приемлемым, то ради пуска копеечного легкого спутника в мирное время уничтожать самолет и убивать 5–7 членов экипажа явно не стоит.
Поэтому нет, «горячий старт» — крайне неудачная идея.
Но и такие проекты были.
Это МАКС — «Многоцелевая авиационно-космическая система». Планировалось, что первой ее ступенью будет служить самолет Ан-225 «Мрия», а второй — пилотируемый или беспилотный многоразовый ракетоплан, или же одноразовая ракета с массой полезной нагрузки до 18 тонн.
Проект не новый, родился он еще в восьмидесятых годах прошлого века. Время от времени его пытались реанимировать. Последнее известное шевеление по этому поводу произошло году в 2008-м, а потом россия начала «вставать с колен» — и все загнулось.
Впрочем, это был абсолютно безумный проект, который бы загнулся и сам. Вряд ли «Мрия» пережила бы хоть один старт со своей спины.
Если же подходить к вопросу реалистично, то вырисовывается более-менее реальный образ ракеты с воздушным стартом — легкая (до 100 тонн), небольшая, твердотопливная, с массой полезной нагрузки 50–500 кг.
Вот такая:
Это Pegasus. Единственная на сегодня система воздушного старта, доведенная до серийных пусков. Параметры ее ракеты далеки от определенных выше максимальных: масса составляет лишь 18–23 тонн, полезная нагрузка — 443 кг. Она имеет ряд интересных особенностей: например, на первом этапе полета управляется аэродинамическими органами управления, как обычный самолет. Стартует с переоборудованного авиалайнера.
В эксплуатации — так себе. Было осуществлено 44 пуска, три из них аварийных. Довольно плохой показатель. Упомянутый выше «Циклон-2» летал более сотни раз без аварий. Носитель частный, позиционируется как коммерческий. Заявленная стоимость пуска в начале программы составляла весьма заманчивые 6 млн долларов, но реальность внесла свои коррективы, и в 2017 году стоимость составила 57 млн, что немного многовато как для носителя легкого класса. На последние два экземпляра ракеты найти заказчиков не удалось. Отдельные ее части использовали в других проектах, в том числе довольно интересных — гиперзвуковом ЛА X-43A и противоракете GBMD. Оба проекта заслуживают отдельного разговора, а тем временем вспомним то, что довести до серии не удалось.
Операция «Аргус»
Один из этих проектов действительно впечатляет. Речь идет о NOTSNIK. Кстати, этимология названия довольно забавная. Оно слеплено из аббревиатуры NOTS (Naval Ordnance Test Station) и суффикса -nik. Догадайтесь, откуда взялся этот суффикс. Подсказка — на дворе 1957 год.
Именно так, от «Спутника». Шокированные успехом советского запуска, американские инженеры лихорадочно искали ответ. И, как им тогда показалось, нашли…
Так вот. NOTSNIK поражает не техническими характеристиками (с ними все в порядке, они плохие), а просто невероятной смесью спешки, авантюризма, халатности и плохой организации полетов. Сейчас такое невозможно. Оно будет забанено на этапе эскизного проекта, руководителей будут судить, а разработчики уйдут в психотерапевты или на какую-то другую панель.
Сам аппарат представлял собой маленькую многоступенчатую ракету-носитель с воздушным запуском спутника. Поскольку времени на разработку двигателей не было, решили использовать уже существующие твердотопливные ракеты. Средств тоже не было, поэтому руководители пошли на откровенное мошенничество. Чтобы получить финансирование, они официально предложили вывести на орбиту небольшой спутник для проведения измерений во время высотных ядерных испытаний. Весьма вовремя: на август 1958 года была запланирована операция «Аргус» — серия высотных ядерных взрывов.
Предложение поступило более чем вовремя. Деньги дали, летательный аппарат назвали NOTS-EV-1 и попытались запустить. Результат оказался предсказуемым. Да, все четыре раза. Во время третьей попытки пилот сказал, что видел взрыв, один из наземных инженеров сказал, что слышал слабый радиосигнал с орбиты. Еще была кинокамера. Других средств объективного контроля, похоже, не было.
Наступил август, успеха не было. Аппарат наскоро модернизировали, назвали NOTS-EV-2 Caleb, пообещали, что он сможет сбивать вражеские спутники и выпихнули на испытания. Результат был еще более предсказуемым, чем с предшественником. Да, все семь раз.
Пускали сначала с F4D, но это не тот F4, что F-4 Phantom II, а другой F4 (с неймингом у США тоже все в порядке, сам черт не сразу разберется), потом запустили еще и с того F4, который «Фантом». Какой-нибудь советский шпион в этом месте окончательно бы запутался и, скорее всего, не стал бы докладывать в Центр, чтобы там не смеялись. Возможно, американцы также остерегались насмешек, поэтому засекретили оба проекта вплоть до середины девяностых.
А может, и не поэтому засекретили. А потому, что из этого и других проектов в конце концов выросла противоспутниковая система ASAT — весьма гибкая, недорогая, эффективная и успешно опробованная. И тоже с воздушным стартом.
Проект Farside
Но вернемся к теме.
NOTSNIK был не первым. За год до него другая ракета стартовала в воздухе и поднималась на такие высоты, о которых ее разработчики не могли даже мечтать. А почему? Потому что разработчики той ракеты были еще более сумасшедшими.
Никаких преувеличений. Нельзя назвать нормальными людей, которые лепят ракету из того, что удается достать, и на что-то надеются. Северокорейцы сколько раз пробовали — всегда падало.
Но у этих не упало.
Проект получил название Farside, а ракету для него слепили из шести других экспериментальных ракет. Если бы в ракетостроении существовала традиция записывать состав многоступенчатой ракеты формулой, как для паровозов, в этом случае она бы выглядела так:
4 x Recruit + 1 x Recruit + 4 x Arrow II + 1 x Arrow II
Сама же ракета выглядела еще страшнее.
Качественных фотографий найти не удалось — все-таки в 1957 году люди не успевали сделать утренний фотосет завтрака, десяток фото по дороге на работу и еще столько же во время обеда. Но есть хорошее фото макета. Вот оно:
Вам не страшно запускать такое? Так вот!
Теория надежности подсказывает нам, что чем больше деталей в конструкции, тем больше шансов на аварию. Создатели Farside подтвердили этот тезис экспериментально: из шести пусков четыре провалились, в основном из-за незапуска части ракет. Но те два, что удались… что ж, они удались. Была достигнута высота 5000 км, что на тот момент стало абсолютным рекордом. К сожалению, бессмысленным. Научная аппаратура, установленная на верхней ступени, не сработала.
У кого-то уже возник вопрос: что делает высотная, но не орбитальная ракета в статье о воздушном запуске? А вот что. Во время шестого пуска была достигнута скорость более 29 тыс. км/ч, чего вполне бы хватило для выхода на орбиту. И если бы разработчикам повезло, то пущенная под правильным углом ракета могла бы стать искусственным спутником Земли. Пятый и шестой запуски, 20 и 22 октября 1957 года. Через пару недель после «Спутника»…
Если бы это произошло, резонанс от «Спутника» был бы значительно меньше. Мол, подумаешь — спутник, вон американцы тоже запускают, причем без особых трудностей. США, хоть и проиграв первый забег в космической гонке, но не с таким позорным счетом, не стали бы заморачиваться с высадкой на Луну. Скорее всего, не был бы создан тефлон (или был бы создан значительно позже). Советский Союз не получил бы грандиозного козыря в виде космонавтики, которым размахивал до самого своего конца и который существенным образом гальванизировал космонавтику постсоветской россии.
Вся новейшая история могла бы пойти другим путем.
Но чуда не произошло. Farside не добрался до орбиты.
SpaceShipOne
Идея запуска носителя с самолета или даже со стратостата, однако, жива и шевелится. Количество проектов перевалило за пару десятков. Правда, подавляющее большинство аппаратов не предназначено для выхода на орбиту. Из всех них достойны внимания экспериментальный ракетоплан X-15 (о нем, думаю, все знают), а из серийных — конечно, SpaceShipOne.
В 1996 году фонд X-Prize объявил конкурс на создание многоразового космического аппарата, способного совершить два пилотируемых полета в космос в течение двух недель. Одним из условий было то, что ни один из членов экипажа не должен был пострадать.
На конкурс было подано около трех десятков заявок разной степени несерьезности, но среди участников попался Берт Рутан. Конечно, он выиграл.
В его конструкции сумасшедшее все — от концепции до внешнего вида. Рутан гений, ему можно. Сумасшедшей формы самолет, с фюзеляжем, усеянным иллюминаторами, словно мухомор пятнышками, поднимал в небо ракетоплан такого же мухоморного вида. Топливом служило резиноподобное вещество на основе полибутадиена, окислителем — закись азота. Да-да, тот самый газ, от малых доз которого люди хохочут, а от больших становится не до смеха.
Похоже, Рутан подобрал удачную дозировку. SpaceShipOne совершил 17 полетов, во время трех из которых пересек линию Кармана, а значит — побывал в космосе. Его потомки — ракетопланы SpaceShipTwo и Unity — сейчас катают пассажиров по несколько раз в год. Полет стоит полмиллиона. Дороговато, но оно того стоит.
Коня куют — а лягушка лапку подставляет. Среди поданных на конкурс заявок была и российская. Смелость разработки превзошла все ожидания. Планировалось смонтировать космический корабль на спине самолета М-55, созданного, между прочим, для борьбы с высотными разведывательными аэростатами, и на высоте 17 км запускать его в космос с помощью ракетных ускорителей. Проект назвали Cosmopolis-XXI, очевидно, намекая на амбициозные планы компании.
Но при этом разумно ограничились красивой презентацией и фанерным макетом.
Правильно сделали. Летать это одоробло могло только сверху вниз, а попытка включить ускорители, скорее всего, закончилась бы катастрофой самолета-носителя.
Жаль, что не попытались.
Почему на самом деле воздушный старт — хорошая идея?
«Так что же? — разочарованно спросит тот, кто добрался до этого абзаца. — В идее воздушного старта нет ничего хорошего?».
Есть. Бескосмодромность.
Самая большая проблема космонавтики заключается не в том, чтобы вывести что-то на орбиту — это оказалось не таким уж и сложным. Проблема в том, что выводить неоткуда.
Космодром — это не только мощный (и дорогой) стартовый комплекс. Это, прежде всего, тысячи гектаров земли, на которые может упасть аварийная ракета, отработанная ступень, главный обтекатель или еще что-то. На которые регулярно разливается токсичное топливо. Которые может безвозвратно загрязнить радиоактивный кусок плутония. Где нельзя строить и заниматься сельским хозяйством. Да даже и забредать в такие места не рекомендуется, хотя бродят люди и там.
Все хорошие места, пригодные для строительства космодромов, уже заняты. Те, которые еще не заняты, либо расположены в таком климате, где и собака не выживет, либо где-то неподалеку заповедник, либо вообще война.
Половина европейских стран имеют возможность осуществлять орбитальные пуски, но не имеют где. Возможно, грызут себе локти, сожалея о колониях в Африке и на островах. Но возвращение к эпохе колониализма избиратели не поймут, поэтому живут без космодромов.
А выход есть. Он рядом, точнее — над головой. Самолет может доставить ракету к пустынному месту, выгодному с точки зрения нужного наклона орбиты, в выгодное для пускового окна время. Запустить. В случае аварии никого не убить, не «засеять» чьи-то владения обломками с последующей компенсацией. Застраховать пуск по недорогой страховой сетке, а не в дорогущем международном страховом картеле по самому высокому тарифу.
Более того. Во время войны самолет может работать в режиме «взлет-посадка» каждые сутки, или несколько раз в сутки — лишь бы электронная промышленность успевала клепать спутники радиоразведки. Дешевые, ненадежные, массовые, низкоорбитальные — но чтобы парили над полем боя все время и пеленговали каждый выход в эфир.
Эх, как не хватает нам сейчас такой возможности! Как жаль, что все три или даже четыре украинских проекта воздушного старта не нашли поддержки правительства и инвесторов! Что ж, теперь платим за эту ошибку кровью.
Впрочем, еще не поздно.
Следующие статьи будут посвящены именно украинским вариантам воздушного старта, и, возможно, кто-то из читателей наконец-то приложится к их реализации в металле. Или в композите. Или в каком-то новейшем наноматериале.
Лишь бы полетело!
Радий Радутный, украинский писатель
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
