23/06/2023
Съвременно състояние и развитие на космическите средства за изстрелване в космоса
От цялото многообразие на космическата дейност ще разгледам средствата за изстрелване в космоса, защото създаването на надежден, евтин и достъпен начин за изстрелване в орбита на космически апарати с различно предназначение е определящо за развитието на космическия отрасъл. Съвременните ракетоносители като част от транспортната космическа система изминаха дълъг път на развитие. И както всяка една транспортна система, тя се развива по същите закони и със същата логика. От една страна, това е уникално събитие, а от друга – ежедневие и рутина. Усложняват са техническите средства, променя се и логистиката. И ето, вече военните писти се заместват от летищата. Развитието се определя от техническите и икономическите възможности, които позволяват да се създават и експлоатират транспортни системи, независимо дали са морски, авиационни или космически.
Всяка страна е постигнала достъпно за нея технологично ниво, в зависимост от което тя може да произвежда или лъкове със стрели, или космически ракети. Може ли да се премине от традиционно общество направо към индустриално производство? Може, но затова трябва да бъдат поставени съответните задачи и да се предприемат съответните стъпки. За да се издигнат нашите космически програми на достойно ниво, трябва да се започне с училищата, институтите, с развитието на фундаменталната наука, с усвояване на тези технологии, които не сме овладели, тоест да се инвестира във всички направления на научно-техническия прогрес и едва тогава можем да се надяваме на някакъв резултат. Например, за реализиране на проекта за космическа система за многократна употреба «Енергия-Буран» СССР трябваше да се постигне ново за страната технологично ниво. Бяха предприети грандиозни усилия, вложени огромни инвестиции в най-различни отрасли на промишлеността. Става дума както за преки инвестиции в конкретни предприятия и технологии, които възлизат на стотици и хиляди, така и непреки – в строителство на жилищен фонд и инфраструктура за персонала. Например, беше разработен и създаден най-мощният от сега използваните двигател РД-170 за многократна употреба, кислородно-водороден двигател РД-0120 (и двата за ракетата «Енергия»), системата за автоматично кацане на «Буран» и много други. Съветският Съюз успя да постигне технологично ниво, което позволи да се създават космически транспортни системи за многократна употреба. Съвременна Русия изостава от това ниво. Технологичните възможности не са даденост, налага се постоянно да се поддържат и прилагат, за да се запази постигнатото. Една кратка пауза веднага ни връща назад в миналото и вместо нещо ново започва тиражиране на привичното, като се представят за иновации стари разработки, основани на предходно технологично ниво. Например: серията от ракети «Ангара», изискваща обслужване преди старта, срещу изцяло автоматичните ракети «Зенит». Като серията «Ангара» се създава чрез комбинация от типови блокове. При това всеки ученик може да схване, че една четиридесетлитрова туба тежи по-малко, отколкото четири десетлитрови. Създавайки такъв «конструктор», нито е възможно да се получи пълноценна свръхтежка ракета, нито нормални ракети от среден клас, които по замисъл да формират «пакет», образувайки тежък носител.
Как може да се оцени дали една ракета е «съвременна»? Има ли някакъв показател за ефективността на една или друга ракетна система, способен да охарактеризира нейното технологично ниво? На пръв поглед това може да бъде «коефициентът на конструктивното съвършенство» – съотношението между цялата маса на заредената с гориво ракета и собствената маса на конструкцията. Колкото е по-лека конструкцията, при равни други параметри, толкова тя е по-съвършена, толкова е по-високо технологичното ниво, необходимо за нейното създаване.
Как може да се класифицират поколенията на ракетите, създадени за космоса?
ПЪРВО ПОКОЛЕНИЕ: многостепенни еднократни ракети-носители. Конструктивно съвършенство: 8-17. Химическите ракетни двигатели постоянно биват усъвършенствани. Техният специфичен импулс е от 245 до 350 сек.
ВТОРО ПОКОЛЕНИЕ: двустепенни ракети-носители с първа степен за многократна употреба. Конструктивно съвършенство: 18-27. Химическите ракетни двигатели достигат своят технологичен предел. Техният специфичен импулс е от 350 до 370 сек.
ТРЕТО ПОКОЛЕНИЕ: едно-двустепенни ракети-носители, изцяло за многократна употреба. Конструктивно съвършенство: 28-37. Техният специфичен импулс е от 370 до 400.
В основата на еволюцията на средствата за изстрелване в космоса е борбата за конструктивно съвършенство. Тук всичко е просто: при по-малка маса на конструкцията, заредената с гориво ракета може да изведе в орбита по-голяма маса. Съвременното технологично ниво позволява да се достигат 26-28 единици, което осигурява възможност да се използват двустепенни ракети-носители (в съвременните руски ракети този показател не надвишава 9-14).
Следващата характеристика за «съвременност» е степента на технологично развитие на ракетните двигатели. Този показател характеризира съвършенството на двигателя, това е неговото тягово въоръжение (съотношението на тягата на двигателя в тонове към неговата маса). Колкото по-висок е този показател, толкова по-съвършен е разглежданият двигател. За ракетния двигател «Мерлин» (САЩ) този показател е 178. За сравнение, при руския двигател РД-180 този показател е 92. Друг важен показател на двигателя е специфичният импулс. Днес за комбинациите на гориво кислород-керосин и кислород-метан това са 345-365 секунди.
Третият показател е теглото на втората степен. Всеки килограм в повече на втората степен означава един килограм по-малко от полезния товар. Втората степен трябва да бъде шедьовър на проектиране на теглото и показател за постигнатото технологично развитие на страната. Най-съвършена е съветската ракета «Зенит». Нейната втора степен тежи 91 тона, сухата ѝ маса – 8,9 тона. Коефициентът е приблизително 11. Ако се направи сравнение например с Falcon-9 на Илън Мъск, втората му степен е 111 тона, а сухата маса – 4 тона. Съответно, коефициентът на конструктивно съвършенство е 27. И каквото и да казват, днес за нас такова технологично ниво е просто непостижимо. Например, двигателят «Мерлин» на втората степен на Falcon-9 тежи 465 килограма, а на «Зенит» – 1350 килограма при съпоставими технически характеристики. Да, двигателят «Мерлин» отстъпва по специфичен импулс, но е по-лек и неговата стойност е 2,5 пъти по-ниска. Какво означава това на практика? За да се изведе в орбита еднакъв полезен товар както при изстрелване на двустепенната ракета Falcon-9, на нас за ракетата «Зенит» ни е нужна трета степен, която по традиция в Русия се нарича бустер. Тоест нашето технологично ниво сега не позволява да се избегне употребата на трета степени (бустер), а това добавя още 10-14 милиона долара към стойността на изстрелването в космоса. Това означава увеличение на себестойността на старта и понижаване на неговата ефективност, а също и понижаване на надеждността, тъй като броят на евентуални откази на техниката нараства поради наличие на трета степен/бустер.
По-нататък. Всички знакови космически постижения на човечеството са имали изключително сериозна мотивация. Знаменитата «Семерка» на Корольов е създадена като междуконтинентална балистична ракета и е била необходима за осигуряване отбраната на страната. Трябвало е да я направи на всяка цена. Американската програма «Аполо» беше демонстрация на технологичното превъзходство на САЩ над Съветския Съюз. Проектът «Енергия-Буран» дава отговор на заплахата от евентуално използване за военни цели на американските совалки от програмата «Спейс шатъл». Приключва Студената война, а заедно с нея приключва противопоставянето на двата свята, на двете идеологии. Изчезва мотивацията за развитие на космическите технологии, настъпва период на стагнация. Това състояние продължава до появата на първите частни търговски космически компании, чиято дейност има за основна цел извличане на печалба от реализиране на космически услуги. Търговската дейност става нов локомотив за развитие на космическите технологии. За държавата остава само да впише частния бизнес в структурата на космическия отрасъл. В резултат от надпреварата за понижаване на себестойността се появява ракета-носител Falcon-9 с първа степен за многократна употреба.
Опитът от работата над космическата транспортна система за многократна употреба «Енергия-Буран» показва, че при създаване на ракетно-космическата техника трябва да се разглеждат не отделни носители или апарати, а транспортната система като цяло. Всяка транспортна система се развива по едни и същи закони, защото задачата на всяка транспортна система е една – доставка на товари и хора от точка А до точка Б. При това е необходимо доставката да се извърши с най-малко разходи. В този случай многократната употреба е абсолютно необходима. Ракетата за еднократна употреба е също толкова ефективна, както и самолет за еднократна употреба. Някога да сте виждали самолет за еднократна употреба? Естествено не, защото той е абсолютно неизгоден. Сега технологичните възможности на човечеството позволяват да се спасява първата степен, което демонстрира Илън Мъск. Неговите специалисти, а също и инженери от други страни и търговски компании работят по решаване на проблемите за връщане на втората степен. В технически план тази задача е по-сложна, отколкото връщането на първата степен, но рано или късно със сигурност ще се справят с нея, защото така е изгодно. Проблемът на спасяването на степента на ракетата-носител съвсем не е в това, как по-безпроблемно да се приземи отработилата степен. Това може да се направи по различни начини. Ефективността на всеки начин е предмет на изчисления. Проблемът е в това, как е проектирано изделието, за да стане многократно. Ако то е създадено от самото начало като многократно, няма да се налага след всяко кацане то да се разглобява напълно до последния винт, достатъчно ще бъде просто отново да се зареди и да се използва. Тоест цялото съдържание – двигатели, тръбопроводи, клапани и други комплектуващи от самото начало трябва да бъдат изчислени за многократна употреба. Именно така са проектирани блоковете «А» на ракетата «Енергия». Но и тогава остават много нерешени въпроси. Първо, как да се преодолее аеродинамичното нагряване на корпуса при кацане. За тази цел трябва да се намали много високата скорост, при която първата степен спира своята работа и се отделя от втората степен на ракетата-носител. В този момент тя навлиза в земната атмосфера на височина приблизително 70 км със скорост 2,3-3,2 км/сек. Когато наближи моментът на кацане, тази степен трябва да се забави до скоростта, при която може да се задействат парашутите или двигателите за меко кацане. Движещата се с огромна скорост степен създава пред себе си уплътнение на въздуха (ударна вълна), и колкото е по-голяма компресията, толкова по-голямо е нагряването за сметка на конфекционното топлопренасяне на отделяната топлина към конструкцията (аеродинамично нагряване). Тоест върху ракетата оказват въздействие едновременно две неща: топлина и скоростно налягане. Как може да се преодолее това? Заслугата на Илън Мъск е в това, че той открива технически начин да реализира ракетно-динамична система за спасяване на първата степен. При навлизане в плътните слоеве на атмосферата в снижаващата се първа степен се включва двигателят. Тогава топлинните потоци на повърхността на соплата, на дънната и долната странична повърхност на степента намаляват значително. Струята на работещия двигател като че ли отдалечава границата на топлинното въздействие и на ударната вълна. Но за такова кацане двигателят трябва да бъде предвиден за многократно включване и дроселиране до 40-49 % от неговата тяга. При «еднократните» двигатели това е невъзможно. Многократността на включване по време на полета и многократното използване трябва да бъде предвидено в двигателя на етапа на неговото проектиране. С тези двигатели, които са в Русия, колкото и да са хвалени, е невъзможно да се реализира подобна схема. Тоест за да може нашата космонавтика да постигне нивото на създаване на системи за многократна употреба, трябва да се започне със създаване на принципно нов двигател. Трябва да се премине от нивото на 80-те години на миналия век към нивото на днешния ден. Съвременният двигател за многократна употреба с тяга 100 тона, ако се гледат изчисленията, трябва да тежи най-много 600 килограма, а не 1300 или 1500, както сега проектират нашите руски разработчици. Следва проектиране на елементи за многократна употреба за ракета-носител, за да не се налага да се сменят след всеки старт. А конструктивното съвършенство на втората степен трябва да бъде подобрено поне два пъти в сравнение с решенията, предлагани от руските специалисти.
И накрая, за целесъобразността на всичко това. Очевидно е, че първо трябва да възникне търсене на услуги за изстрелване в космоса с прилагане на техника за многократна употреба, а вече след това да се появи предлагането. Засега не се забелязва конкуренция сред възложителите на изстрелване, докато тези, които работят по изстрелването, се избиват за поръчки. Тези, които биха могли да създават заводи в орбита, очакват създаване на конкурентоспособна и ефективна космическа транспортна система, тъй като стойността на извеждане на товари от сегашните ракети, а още повече завръщането на Земята на готовата продукция, засега изглеждат нерентабилни. Но без възложител в лицето на «космическите заводи» разработчиците на новата космическа техника не изпитват потребност да създават нещо по-прогресивно. В резултат се попада в омагьосан кръг. Как може да се излезе от него? Някой трябва да поеме инициативата. Инфраструктурата (към която спадат транспортните системи) трябва да бъде изпреварваща, и Мъск нагледно го показа. Преди него беше ясно – има ракета «Зенит», която от «Морския старт» извеждаше в геотрансферна орбита 6 тона полезен товар, има «Протон», който извежда също 6 тона, но от космодрума Байконур. За същите тези възможности производителите на спътници създават своите апарати. Мъск със своята ракета «Falcon 9» навлезе във вече установения пазар и на практика изтласка в периферията всички основни играчи – руските и европейските ракети. Сега той определя състоянието на бъдещия пазар, предлагайки услуги по извеждане в космоса на търговски космически апарати със зададени от фирма SpaceX характеристики. И веднага се появиха клиенти, готови да се съобразят с тези размери на полезен товар, които диктува американската компания. Това е така, защото се оказа ефективно поради сроковете и цената. Мъск определи, че от 2023 г. редовно ще извършва по два старта в месец. Определена е точна дата на услугите по изстрелване. Сега клиентите не трябва да чакат с месеци и години, докато техният апарат излети, докато бъдат събрани заедно няколко изстрелвани на една и съща орбита спътници от различни клиенти. Затова цялото следващо развитие на дейността в космоса ще зависи от създаването на ефективни транспортни системи. Американският «Дракон» може да спуска от орбита 2 тона товар, а не онези няколко килограма, които е способен да достави «Съюз». Ще се появи стабилно работеща транспортна система между Земята и орбитата, непременно ще се намерят и клиенти за тази услуга. Според мен, всички изложени разсъждения само характеризират основните подходи към анализа на съществуващите космически системи. Не съм засягал въпросите за развитието на ракетните двигатели, които сами по себе си имат фундаментално значение за космическите системи. Обаче за транспортната задача Земя – Космос днес изглежда, че химическите двигатели вече се приближават към своето технологично съвършенство, тоест към предела.
И в заключение: «Ние не сме единна човешка раса, една земна цивилизация, ние сме строго разделени в национално, религиозно, идеологическо, политическо, ментално отношение, раздирани сме от икономически, политически, религиозни и военно-териториални противоречия. Не сме съзрели за Космоса, и докато самите ние не се променим, ще ни бъде твърде трудно.“
Превод от руски език:
Сергей СОПОВ