Космический скоростной транспорт (Space Rapid Transit – SRT) – факт революции, как в сфере космических запусков, так и в сфере авиаперевозок. Чтобы разорвать цикл роста стоимости систем космического запуска, необходимо рассмотреть концепции, кардинально отличающиеся от текущих вариантов запуска. Система SRT, по сути, представляет многоразовый двухступенчатый космический аппарат для вывода на орбиту.
СТРУКТУРА СТАТЬИ :
Космический скоростной транспорт особенности системы
Аппарат серии «Space Rapid Transit» приводится в движение двухтопливным соосным прямоточным воздушно-реактивным двигателем. Турбовентиляторной ступенью используется реактивное топливо, тогда как ПВРД работает на водороде. Орбитальный аппарат имеет двигатели на жидком водороде/кислороде. Разделение ступеней составляет 6,5 Маха на 40 км.
Полноценная система, дополненная многоразовым орбитальным аппаратом, способствует экономичной доставке полезных грузов на низкую околоземную орбиту. Конструкция такой ракеты горизонтального взлёта обеспечивает успешный быстрый старт. Аварии без потери транспортного средства допустимы на протяжении всего процесса запуска.
Обе ступени системы имеют общую авионику и программное обеспечение. Тем самым снижаются затраты на разработку и эксплуатацию оборудования. Электрический привод и экологически чистые двигатели дополнительно снижают эксплуатационные расходы.
Космический скоростной транспорт обеспечивает пути разработки и внедрения передовых технологий. Технология масштабируется от транспортных средств, доставляющих на борт МКС до 600 кг груза, до версий ракет, способных вывести на орбиту шесть и более членов экипажа.
Составная система тепловой защиты для первой ступени позволяет развивать скорость более 10 Маха, что предполагает использование конструкций ГПВРД (Гиперзвуковой Прямоточный Воздушно-Реактивный Двигатель) по мере появления таковых.
В конечном итоге возможно появление одноступенчатого орбитального аппарата. Космический скоростной транспорт также открывает пути создания гиперзвуковых авиалайнеров и грузовых самолётов. Это очевидно, учитывая появление платформы для разработки гиперзвуковых самолётов и двигателей.
На какой стадии находятся сегодня работы по системам SRT, включая:
- моделирование,
- конструкцию двигателя,
- исследования CFD,
- анализ затрат и безопасности?
Об этом ниже по тексту.
Космический скоростной транспорт технические моменты
Конструкция SRT работает на водородном топливе, которое показывает гораздо более высокий удельный импульс на высоте, чем керосин или реактивное топливо. Здесь налицо снижение отношения массы транспортного средства к полезной нагрузке.
Космический скоростной транспорт демонстрирует значительно большее изменение скорости первой ступени, чем другие концепции запуска с воздуха. Оборудование показывает лучший потенциал с турбореактивными прямоточными двигателями (ГПВРД) в плане общего изменения скорости, необходимого для выхода на орбиту, что ещё больше снижает массу системы.
Даже самые лучшие современные ракеты имеют на порядок меньший удельный импульс, чем воздушно-реактивные двигатели. Поскольку космический скоростной транспорт запускается с аэродрома, специализированные стартовые средства не требуются.
Аппаратом SRT не используется гидразин ни на одной из ступеней. Здесь применяется методика линейного электрического срабатывания, что исключает необходимость специального обращения с токсичным топливом и гидравлической жидкостью. Композитная система теплозащиты также требует минимального обслуживания.
Организация полётов — ещё один источник затрат. Поэтому систему предполагается проектировать так, чтобы обеспечить полную автономию. Достаточно двух членов экипажа на земле для контроля и отключения автономных систем по мере необходимости.
Безусловно, концепция SRT безопаснее, чем вертикальный запуск. Аварийное прерывание полёта не требует уничтожения транспортного средства. Если авария случается в процессе работы ракеты, аварию допустимо сбросить, а транспортное средство вернуть на место запуска или на любую другую посадочную площадку.
Космический скоростной транспорт история развития
Серию концептуальных исследований периода 1986-1992 годов в области горизонтального взлёта и горизонтальной посадки проводили в НАСА. Первым транспортным средством был заявлен космический челнок с полной взлётной массой 900 000 кг, способный доставить 22 500 кг груза.
Своего рода техническим ответом на эти работы со стороны инженеров СССР стал ответ 1988 года – создание многоразовой космической системы под названием «Буран». Рассчитанный фактически на сотню миссий, советский «Буран» совершил реальный единственный полёт. Однако впоследствии разработанные здесь технологии применяли в других проектах широко.
Одним из примечательных проектов также отмечался проект немецких инженеров, получивший название «Зенгер» (Sanger). Конструкция «Sanger II» предполагала размещение полезной нагрузки (двух членов экипажа и 3000 кг груза) с помощью разгонного блока «Horus». Другой вариант — полезная нагрузка 15 000 кг, обеспечивался беспилотным разгонным блоком «Cargus».
Первая ступень выполняла полёт на турбореактивных двигателях и скоростях 4,4 Маха от стартовой площадки, затем разгонялась до скорости 6,5 Маха и выпускала разгонный блок. Полностью интегрированная камера сгорания с прямоточным воздушно-реактивным двигателем и турбиной «H2» успешно прошли испытания. Но проект в итоге закрыли.
Среди альтернативы можно выделить полностью многоразовый одноступенчатый аппарат горизонтального взлёта и посадки, получивший название «Skylon». Здесь Космический скоростной транспорт с одноразовыми разгонными блоками включает систему «Pegasus». Оборудование в целом «LauncherOne» находится в собственности компании «Virgin Galactic». Несмотря на несколько успешных пусков, до сего момента проходит испытания.
Преимущества и недостатки рассматриваемых систем
Каждый существующий подход демонстрирует преимущества и недостатки. Одноступенчатый вывод на орбиту с точки зрения эксплуатации является самым простым, но транспортное средство должно нести воздушно-реактивные двигатели на орбиту, уменьшая полезную нагрузку.
Две ступени для вывода на орбиту требуют стыковки двух аппаратов, что усложняет наземные операции. Правда, это не является серьёзной проблемой для малых ракет-носителей, но для больших ракет требуются специальные средства сопряжения.
Горизонтальные ракеты-носители, оснащённые ускорителями одноразовых разгонных блоков, предполагают конструктивно сброс верхних ступеней. Стоимость верхней ступени при этом относится на счёт полезной нагрузки миссии.
Если скорость запуска низкая, такой подход видится наиболее рентабельным. Более дорогая стоимость изготовления многоразовой верхней ступени распределяется на малое количество миссий с целью достичь экономичной эксплуатации.
Общий подход системного построения
Первая ступень системы SRT приводится в движение обычными турбовентиляторными двигателями смешанного потока и прямоточными воздушно-реактивными двигателями. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель применяется для выполнения задач:
- набор высоты
- разделение,
- достижение рабочего числа Маха.
Здесь используются аэродинамические эффекторы для управления и возможного управления вектором тяги, чтобы учесть движение центра масс после разделения. Полёт осуществляется, за исключением планирования, после отделения орбитального аппарата.
Орбитальный аппарат оснащён двойным криогенным ракетным двигателем. Управление ориентацией орбитального аппарата осуществляется посредством:
- системы управления реакцией,
- карданного подвеса двигателя,
- аэродинамических эффекторов.
Орбитальный аппарат использует главный двигатель для вывода на орбиту и систему управления реакцией для входа в атмосферу. Возврат орбитального корабля осуществляется методом планирования.
Взлёт и посадка выполняются с площадок обычных аэродромов. Оба аппарата полностью автономны. Обе машины используют унифицированную архитектуру авионики на базе коммерческих авиалайнеров. Эта система имеет высокий уровень резервирования, что снижает стоимость масштабирования машины до версии с экипажем.
Фаза атмосферного полёта
Фаза полёта в атмосфере охватывает комбинированный ракетный и орбитальный режим аппарата от горизонтального взлёта, до точки разделения ступеней на высоте 40 км и скорости 6,5 Маха.
Цель наведения во время этой фазы полёта в атмосфере состоит в том, чтобы достичь желаемых начальных условий для фазы разгона. Фаза разгона начинается с момента, когда транспортное средство летит по соответствующему курсу с целью достижения желаемого наклона.
Кроме того, начальный угол траектории полёта и скорость должны оставаться такими, чтобы «дельта-v», необходимая для достижения апогея и последующего кругового движения, находилась в пределах возможностей летательного аппарата. Наконец, начало фазы разгона определяется точным временем, чтобы обеспечить достижение желаемого прямого восхождения на орбитальную плоскость.
Структура и тепловая защита
Композиты с углеродной матрицей используются для системы тепловой защиты. Композитный фюзеляж и топливные баки используются повсеместно в составе конструкции. Эти технологии хорошо разработаны и используются в системах многих современных самолётов. Такие материалы снижают массу и улучшают тепловые характеристики.
Планер конструктивно представляет полумонококовую конструкцию, изготовленную из углеродных композитов. Таковые включают полиимидную систему смолы, как для изготовления внешней обшивки, так и для внутреннего каркаса. Разработанный однонаправленный углеродный композит типа «RP46 IM7» имеет сравнимую с титаном прочность, хорошие тепловые свойства и небольшой вес.
Значительный прорыв произошёл благодаря использованию тонкослойных композитов, гарантирующих предотвращение микротрещин и утечек. Поверхностный вес тех же резервуаров составляет 70 граммов на квадратный метр. Здесь используется «рифленая» структура сердцевины, которая облегчает вентиляцию и продувку резервуаров.
Конструкция заменяет сотовую конструкцию современного боевого танка. Эти многообещающие достижения делают композитные криогенные резервуары лучшим вариантом для конструкции ракеты горизонтального взлёта.
Вместо заключительных выводов
Космический скоростной транспорт (Space Rapid Transit) обещает революцию в области космических перевозок. Проектом учитываются все основные факторы затрат на доступ к пространству. Тем не менее, требуются значительные капитальные вложения, сравнимые с финансированием, к примеру, американской системы «SpaceX». Однако российские планы развития предполагают возрождение технологии «Энергия-Буран». Это возрождение уже началось с 2018 года.
При помощи информации: PSatellite
