О космолетах

РАКЕТА, САМОЛЕТ ИЛИ РАКЕТНЫЙ САМОЛЕТ?

Сколько бы ни говорили о будущих кораблях и станциях, не только конструктивные проблемы определяют возможность и экономику их создания. Такова уж природа космонавтики, что во все времена многое будет зависеть от средств сугубо вспомогательных, не решающих собственно задач по освоению и исследованию космического пространства — ракет-носителей. Казалось бы, дело-то их всего-навсего доставить объект к месту «работы». А точнее, даже не доставить, а разогнать, «бросить» корабль с нужной скоростью в нужном направлении. А доберется куда надо он уже сам — согласно законам небесной механики. Так или иначе, но в общем-то всего лишь транспортная задача.

Стоимость носителя в общей стоимости запуска космического аппарата бывает самая разная. Если носитель серийный, а аппарат уникальный — что-то около 10 процентов. Если наоборот — может достигать сорока процентов и более. Где вы видели на Земле объект, доставка которого к месту использований стоила бы так дорого? А все потому, что на Земле все транспортные средства используются многократно! А ракета-носитель применяется один-единственный раз.

Пока космические запуски были редкими, этот факт особого внимания не привлекал. Казался нормальным. Но по мере увеличения интенсивности освоения космоса становился все более существенным. Аппарат работает на орбите или в межпланетном пространстве и приносит определенный научный или народнохозяйственный результат. А ступени ракеты, имеющие сложную конструкцию и дорогое оборудование, сгорают одна за другой в плотных слоях атмосферы или остаются без нужды на. орбитах. Естественным образом возник вопрос о снижении стоимости космических запусков за счет повторного использования ракет-носителей.

Первые ракеты-носители создавались, как известно, не как принципиально новые машины, а с использованием конструкции боевых баллистических ракет. В основу последних одноразовый принцип закладывается изначально. Было бы смешно рассчитывать на их повторное использование, утяжелять и удорожать то, что все равно должно улететь в сторону противника.

А между тем на заре эры жидкостных ракет вопрос стоял как раз наоборот. Роберт Годдард уже на одной из своих первых ракет в 1929 году установил парашют, который, правда, не сработал. И почти на каждой из своих последующих ракет, а сконструировал он около трех десятков ракет (все они были высотными, спускались вертикально), устанавливал парашюты. Очень ему не хотелось для каждого нового испытания строить новую ракету. Накладно это было. Но ни разу ему не удалось приземлить ракету без повреждений.

Где располагать парашют? Лучше всего, казалось бы, в хвосте, вблизи центра масс. Но там расположена камера сгорания и, следовательно, имеют место высокие температуры. Парашют может подгореть, да и механизм выпуска может не сработать. Значит, в носовой части? Но тогда возникнет вопрос: в какой момент раскрывать парашют? Очевидно, пока ракета еще не перевернулась вверх хвостом, то есть в верхней точке траектории, когда скорость полета близка к нулю. Но в те времена (30-е годы) зафиксировать этот момент и выдать команду на механизм было очень сложно; парашют раскрывался не вовремя и часто рвался.

Все ракетостроители того периода, включая советских, мечтали о возвращении ракеты на Землю без повреждений. Ведь это давало возможность проанализировать ее работу. Не говоря уже о повторном использовании конструкции. Однако очень редко были случаи, когда это удавалось.

В 40-е годы эта задача была отчасти разрешена. При экспериментальных пусках по вертикали небольшие ракеты иногда удавалось спасать. Можно, казалось, применить спуск и для конструкций баллистических ракет, которые после отделения от головных частей падали на расстоянии нескольких сотен километров от места старта.

Выяснилось, однако, что для приземления с достаточно малой скоростью, а она не должна для хрупкой конструкции ракеты превышать пяти-семи метров в секунду, нужен огромный парашют, масса которого составляла бы порядка шести-восьми процентов от массы конструкции. Но это при заданной массе головной части сильно сказывалось на дальности полета. По мере роста дальности ракет и, следовательно, их скоростей задача возвращения в атмосферу и посадки конструкции все более усложнялась. (Другое дело спасение небольших контейнеров с научными приборами, запускаемых ракетами на высоту и отделяемых от основной конструкции.)

В 50-е годы в технической литературе обсуждались и другие способы возвращения ступеней. Например, с помощью аэростатов-баллонов, надуваемых гелием после того, как ракета затормозится с помощью парашютов. Считалось, что такой способ имеет преимущества с точки зрения доставки ракеты к месту старта — медленно опускающаяся на баллонах ступень может быть подхвачена вертолетом. Эту же задачу предлагалось решать за счет использования авторотирующего винта, который, подобно вертолету, мог бы привести ступень на нужное место. Об этом способе мы уже говорили при обсуждении методов посадки космических аппаратов. Еще рассматривалось «крыло Рогалло» — надувной дельтаплан, маневренность которого достаточно велика. Наконец, были сторонники применения обычных или выдвижных крыльев с небольшим реактивным двигателем, то есть превращение ракетной ступени в своего рода самолет.

Серьезнее всего, пожалуй, велись проработки парашютно-ракетной системы, то есть того средства, которое применяется сейчас для спасения спускаемых аппаратов-кораблей. Конечно, при этом нужны еще вертолеты для перевозки ступеней с места посадки. Для очень больших ступеней рассматривался и такой вариант: посадка осуществляется на воду (скорость контакта может быть выше), после чего транспортировка может быть проведена на плаву буксиром.

Но все эти способы, условно говоря, годятся только для первых ступеней, разгоняющихся до сравнительно невысоких скоростей (максимум два-три километра секунду) и падающих к тому же недалеко, в нескольких сотнях километров от места старта. Вторые ступени, разгоняющиеся до четырех-шести километров в секунду и более, тормозить и спасать значительно труднее. Необходимо ставить хотя бы небольшую теплозащиту. К тому же летят они на тысячи километров дальше от места старта и велико их рассеивание при падении, что создает сложности поиска их в труднодоступных районах.

И, наконец, совсем сложно с последней ступенью — она выходит на орбиту вместе с аппаратом или кораблем, и, следовательно, ее нужно тормозить и защищать от нагрева точно так же, как спускаемый аппарат корабля. Практически эта задача для конструкций ракет если и разрешима, то за счет весьма существенных потерь массы на полезную нагрузку.

И все же почему до сих пор не спасаются хотя бы нижние ступени? Кроме тех причин, о которых мы уже говорили, есть еще одна. Опять же экономическая. Ступень для повторного использования необходимо подвергнуть сложному восстановительному ремонту, стоимость которого соизмерима со стоимостью новой ракеты. Особенно если она серийная. Но даже и после ремонта на повторное использование ракетной ступени во многих случаях будет трудно решиться. Ведь надежность ее все же будет ниже, чем у совсем новой. И рисковать дорогостоящим спутником и тем более кораблем никто не захочет.

С другой стороны, возвращение ступеней может дать эффект от повторного использования не только всей конструкции, но и отдельных ее частей и оборудования. Кроме того, оно помогло бы отрабатывать новые элементы систем. Отметим еще, что мягкая посадка (с уводом в сторону) ступеней ракет позволила бы избежать ограничений в хозяйственном использовании тех участков земли, иногда довольно больших, куда обычно падают эти ступени.

И, наконец, в результате этого космос перестанет засоряться остающимися в нем и совсем там ненужными ступенями. Сейчас на орбите находится несколько тысяч отработавших ступеней и их частей. Количество их продолжает расти, хотя часть ракет со временем сходит с орбиты. И потом в принципе возможны столкновения с ними спутников и кораблей, хотя практически до этого еще далеко. За 25 лет космических запусков столкновений пока зафиксировано не было.