Современная ракетно-космическая техника. Транспортные системы

Сергей Александрович Петроченков

В книге собрана краткая обзорная справочная информация о современной ракетно-космической технике: ракеты-носители, авиационно-космические системы, грузовые и пилотируемые космические корабли, космодромы. Описаны системы, которые находятся на стадии разработки, лётно-конструкторских испытаниях и серийного производства на конец 2022 года. Книга позволит получить общее представление о ракетно-космической технике, не перегружая читателя лишней информацией.

Составитель Сергей Александрович Петроченков

© Сергей Александрович Петроченков, 2023

ISBN 978-5-0060-0047-6

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

В разделе «Космодромы» представлены действующие стартовые площадки мира.

В разделе «Ракеты космического назначения» собраны средства выведения, с помощью которых осуществляется запуск космических аппаратов в космос. Ракеты космического назначения ограничены четырьмя классами: лёгкий, средний, тяжёлый и сверхтяжёлый. Не представлен класс сверхлёгких ракет за исключением ракет-носителей Израиля, Ирана и КНДР.

Раздел «Авиационно-космические системы» составлен из систем использующих для запуска космических аппаратов воздушный старт. То есть запуск осуществляется не с наземной стартовой площадки, а с самолёта-носителя.

В разделе «Пилотируемые транспортные системы» собраны пилотируемые транспортные космические корабли, предназначенные для доставки в космос (на орбитальные станции или для выполнения автономных полётов) людей.

Раздел «Грузовые транспортные системы» содержит информацию о грузовых кораблях. Данные корабли служат для доставки на орбитальные станции грузов снабжения (еда, топливо, вода, технические газы и жидкости, оборудование, предметы личной гигиены и т.д.).

В разделе «Суборбитальные транспортные системы» собраны пилотируемые и авиационно-космические системы, которые осуществляют полёты по суборбитальной траектории, то есть по незамкнутым орбитам. Такие аппараты будут служить для туристических целей или для перевозки пассажиров с большими скоростями на большие расстояния.

Ещё один раздел «Военные транспортные системы». Это системы, которые создаются для военных целей и эксплуатируются военными службами.

Книга составлена с использованием информации из книг, журналов о космонавтике и открытых интернет-источников.

Авиационно-космические системы

Stratolaunch (на этапе ЛКИ)

Авиационно-космическая система Stratolaunch

Stratolaunch — авиационно-космическая система, основу которой составляет двухфюзеляжный самолет Scaled Composites Model 351, имеющий также название Roc («Птица Рух»). «Птица Рух» впервые поднялся в воздух 13 апреля 2019 г. в американской пустыне Мохаве. По размаху крыла, достигающему 117 м, он является крупнейшим в мире — превосходя по этому показателю самый большой (по длине) и тяжелый из ныне летающих в мире самолетов — Ан-225 «Мрия», и равный с ним по расчетной массе полезной нагрузки (250 тонн).

Варианты полезных нагрузок системы

Вывоз из ангара

Roc взлетел с аэродрома Воздушно-космического порта Мохаве — гражданского аэрокосмического испытательного центра в Калифорнии, там же осуществлялась его сборка в специально построенном для этого огромном ангаре компании Stratolaunch Systems Corporation.

Максимальная взлетная масса аппарата — 590 т. Самолёт выполнен из композитных материалов по схеме высокоплана с узким прямым крылом большого удлинения с шестью двухконтурными турбореактивными двигателями под ним и двумя фюзеляжами, каждый из которых несет свое хвостовое оперение. Самолет-носитель предназначен для выполнения воздушного пуска космических ракет-носителей. В ее основе — ряд видимых достоинств: повышение энергетических

Вид на левый фюзеляж

возможностей, всеазимутальность пусков, а также отсутствие необходимости в громоздком стартовом комплексе, роль которого берет на себя летающая платформа (самолет или стратостат).

Элементами системы должны были стать огромный самолет-носитель грузоподъемностью 250 т и многоступенчатая орбитальная ракета. Схема полета предусматривает взлет с аэродрома, обладающего достаточно длинной взлетно-посадочной полосой, набор высоты около 10 км, полет в зону пуска и сброс ракеты, которая затем разгоняется собственными двигателями. Проектирование платформы воздушного запуска выполнила компания Scaled Composites, которой руководил Берт Рутан. На базе предыдущих разработок всемирно известный конструктор экспериментальных и рекордных аппаратов предложил двухфюзеляжный самолет со взлетной массой 590 т. Размах его крыла — 117 м — на 30 м больше, чем у самого тяжелого самолета в мире — советского Ан-225 — и на 37 м — чем у крупнейшего пассажирского авиалайнера Airbus А380. Длина фюзеляжей — 73 м. Для перемещения гиганта по аэродрому его оснастили шасси с 28 колесами. Самолёт оснащён шестью двигателями PW4056 фирмы Pratt & Whitney, снятых с двух авиалайнеров Boeing 747—400. От них же заимствованы шасси,

Заход на посадку

бортовое радиоэлектронное оборудование, приборные панели и пневмогидросистемы (для этого Stratolaunch Systems Corporation приобрела два списанных самолета — N196UA и N198UA).

Но если с самим самолетом-носителем дела обстоят более-менее понятно, то с ракетой-носителем для него «что-то пошло не так». В самом начале работ по Stratolaunch ракету подрядилась делать компания SpaceX, взяв за основу создававшийся ею Falcon 9. Модификацию «Фалькона» для проекта Аллена у Илона Маска назвали «Коротышкой» (Shorty): новое изделие планировалось получить изъятием из середины Falcon 9 нескольких цилиндрических секций и уменьшения числа двигателей первой ступени. Но в ноябре 2012 г. SpaceX вышла из проекта. В августе 2018 г. было объявлено, что Stratolaunch Systems создаст свой полностью многоразовый космоплан Black Ice («Черный лед»), две одноразовые ракеты воздушного старта MLV и MLV Heavy, а также пару гиперзвуковых космопланов Hyper-А и Hyper-Z. Начались работы и над собственным криогенным двигателем.

Космоплан Black Ice

По космоплану все ограничилось только изучением концепции. Создать и запустить легкую ракету-носитель MLV намеревались к 2022 г. Стартовав с борта самолета, она должна была доставлять на орбиту высотой 400 км спутник массой до 3,4 т. Более тяжелый вариант MLV Heavy с двумя боковыми ускорителями мог бы выводить на ту же орбиту полезную нагрузку уже в 6 т.

Что касается гиперзвуковых ЛА, то вначале предполагалось разработать сравнительно небольшой беспилотный Hyper-А, который по расчетам должен был в шесть раз превзойти скорость звука. Дальнейшим развитием этой темы виделся довольно крупный «10-маховый» Hyper-Z. Оба рассматривались как летные стенды для отработки технологий гиперзвукового полета и попутного запуска в космос небольших экспериментальных полезных нагрузок в интересах научного сообщества, занимающегося проблематикой высокоскоростных полетов.

Ракета-носитель MLV Heavy

Сообщалось, что оба аппарата смогут взлетать и садиться на аэродромах, а также стартовать с «Птицы Рух». Начать летные испытания Hyper-А предполагалось в 2020-м, a Hyper-Z — в 2025-м.

Многоразовая авиационно-космическая система КНР (проект)

Многоразовая авиационно-космическая система

На Глобальной конференции по освоению космоса в Пекине председатель Научно-технического комитета CALT Лу Юй говорил, что Китай осуществляет трехэтапную программу создания многоразовых систем.

На первом этапе будет достигнуто спасение первой ступени с одноразовой второй ступенью, на втором этапе должны спасаться обе ступени, а целью третьего этапа является создание одноступенчатой аэрокосмической системы с комбинированной двигательной установкой, работающей в режиме прямоточного ВРД на атмосферном участке и ЖРД на внеатмосферном. Таким образом, вопреки буквальному прочтению документа, в ближайшем будущем планируется начать испытания многоразовой системы первого этапа — китайской версии XS-1 с возвращаемой первой и одноразовой второй ступенью,

Многоразовый ракетоплан на орбите

Многоразовая авиационно-космическая система перед взлётом

после чего до 2030 г. будет продолжаться разработка крылатой возвращаемой второй ступени. Что же касается третьего этапа, то стоит отметить: технология комбинированной ДУ сложна и потребует для своей отработки порядка 15 лет. Этим и определяется срок ее готовности в плане — 2035 год. Более подробная информация о китайских работах в области многоразовых космических систем на сегодняшний день отсутствует.

Skylon (проект)

Воздушно-космический самолёт Skylon на орбите

Skylon — одноступенчатая авиационно-космическая система. Skylon должен взлетать с обычной взлетно-посадочной полосы (ВПП) и после набора высоты 25 км разгоняться до скорости, соответствующей числу М=5; в это время ДУ SABRE ожижает кислород из воздуха. Разогнавшись затем в стратосфере до М=25 и достигнув динамического потолка, Skylon переходит в суборбитальный полет. В апогее траектории двигатели ВКС запускаются повторно — уже в режиме ракетных. Садиться Skylon тоже будет по-самолетному.

Концепция SABRE подразумевает создание силовой установки, имеющей возможность работать и как турбореактивный двигатель — на малых скоростях полета, и как ракетный — на высоких скоростях и больших высотах. Тяга создается за счет сжигания кислородно-водородной топливной смеси. Во время полета на малой высоте кислород будет забираться двигателем напрямую из воздуха, охлаждаясь в сложной системе многоконтурных теплообменников, работающих на жидком водороде и сжатом гелии, и ожижаться с помощью турбодетандеров. Затем, когда на большой высоте и скорости эффективность воздушно-реактивного двигателя падает, установка начинает работать в режиме жидкостной ракеты, потребляя компоненты (жидкий водород и накопленный жидкий кислород) из внутренних баков ВКС. Такой подход, по замыслу разработчиков, позволит экономить на массе средства выведения, а сам двигатель будет способен доставить аппарат прямиком на орбиту без использования многочисленных ступеней, обычных для традиционных одноразовых РН.

Общий вид

Таким образом, благодаря уникальным возможностям двигателя SABRE британский космоплан не только сможет выходить в космос без применения разгонных ступеней, внешних ускорителей или сбрасываемых топливных баков, но и осуществлять весь полет, используя один и тот же двигатель (точнее, два) на всех этапах, начиная с рулежки по аэродрому и заканчивая орбитальным участком.

Взлёт ВКС Skylon (сверху), Компоновка двигателя SABRE (снизу)

Это, как рассчитывают авторы проекта, резко снизит стоимость вывода грузов в околоземное пространство. К тому же у ВКС намного больше возможностей по выходу на разные орбиты — ведь он не привязан к космодрому. Первоначально Skylon будет беспилотным грузовым транспортом для запуска спутников и доставки грузов на космические станции, а в будущем сможет применяться и для перевозки пассажиров. В этом случае с его помощью можно будет организовать надежное сообщение с орбитой,

Отделение полезной нагрузки

которое станет таким же обычным делом, как межконтинентальные полеты современных авиалайнеров.

Важнейшим компонентом SABRE должна стать компактная система предварительного охлаждения (СПО), которая сможет охлаждать поступающий забортный воздух с температурой более 1000°С до — 140… — 150°С всего за одну сотую секунды, причем предотвращая появление льда в холодном газе. У REL имеется некая «секретная технология», позволяющая при таком скоростном охлаждении избежать появления в воздухе кристалликов льда, способных забить теплообменник.

Что касается «Скайлона», то, по замыслу британцев, 83-метровый ВКС будет летать в автоматическом режиме, а в отдаленной перспективе — и в пилотируемом, выводя на низкую орбиту груз весом около 17 т. Не отличаясь по конструкции от грузового, пилотируемый Skylon будет нести в грузовом отсеке обитаемый модуль SPLM (Skylon Payload & Logistics Module), оснащенный стыковочным узлом, совместимым с таковыми на МКС.

Интерьер пассажирского модуля

В верхней части SPLM конструкторы предлагают сделать иллюминаторы. Хотя при взлете и посадке створки грузового отсека ВКС, в котором окажется пассажирский модуль, закрыты, во время полета по орбите их можно будет открыть, а сам аппарат повернуть «на спину», чтобы пассажиры могли полюбоваться Землей. SPLM может вмещать от пяти до 24 человек, а также до трех тонн груза. Это будет или багаж пассажиров, совершающих космические трансконтинентальные перелеты, или припасы для МКС. При необходимости аппарат сможет оставаться на орбите пару недель и работать в качестве туристического лайнера. В отдаленной перспективе Skylon планируют использовать и для модернизации МКС: ракетоплан сможет не просто доставить фермы, солнечные батареи, антенны и другие элементы конструкции, но и поможет в их установке, обеспечивая длительное удержание во внешних захватах и манипуляции на пару с Canadarm. ВКС разрабатывается не только как универсальное средство доставки на орбиту любых грузов, но и как гиперзвуковой летательный аппарат многоцелевого назначения. Он будет способен выводить на низкую околоземную орбиту достаточно крупные спутники разного типа или наборы малых аппаратов, например до нескольких сотен «кубсатов».

Теплообменник двигателя SABRE

Стыковка ВКС Skylon с орбитальной станцией

Каждый спутник требуется вывести на свою орбиту, но вовсе не обязательно делать это при помощи самого ВКС. В грузовом отсеке Skylon может размещаться дополнительный транспортный модуль (межорбитальный буксир), доставляющий выводимые КА на заданные орбиты и возвращающийся обратно с минимальными затратами. После этого Skylon запустит программу возвращения: сойдет с орбиты с помощью двигателей и совершит планирующий спуск в атмосфере и посадку на ВПП. Не исключен и более «приземленный» вариант использования SABRE — в качестве силовой установки гиперзвукового пассажирского авиалайнера Lapcat. Его разработку ведет крупнейший производитель самолетов — европейский концерн Airbus. В октябре 2015 г. сообщалось, что Lapcat способен летать с крейсерским числом М=4.5 и доставлять пассажиров из Лондона в Нью-Йорк за час, а перелет из британской столицы в Сидней может занять всего четыре часа. Максимальная скорость полета, по расчетам, достигнет 6400 км/ч, а высота — 28 км.

Посадка ВКС Skylon

Pegasus XL

Ракета-носитель Pegasus X

Pegasus (Пегас) — американская крылатая ракета-носитель лёгкого класса воздушного старта. Разработана корпорацией Orbital Sciences Corporation. Старт производится с помощью специально оборудованного самолёта L-1011 Stargazer фирмы Lockheed Corporation. Отделение ракеты от самолёта-носителя происходит на высоте порядка 12 км. Легкий носитель Pegasus XL, оснащенный дополнительной жидкостной четвертой ступенью, способен доставить груз массой 165 кг на геопереходную орбиту. Твердотопливные двигатели трех ступеней Pegasus, а также крылья, хвостовой узел и обтекатель создала Hercules Aerospace.

Самолёт-носитель с ракетой перед стартом

Разработку большей части узлов провела группа под руководством доктора Антонио Элиаса (Antonio Elias), крыло же спроектировали в фирме Scaled Composites под руководством Берта Рутана (Burt Rutan). Аэродинамическая схема ракеты была определена только численными методами без продувок в аэродинамических трубах. Ракета проектировалась на уже освоенной элементной базе, позволявшей сократить до минимума стендовую отработку.

Бортовые системы, за исключением самоликвидации, не дублировались. Испытательный полет не предусматривался. Ракета Pegasus длиной 15.5 м представляет собой сборку трех твердотопливных ступеней, из которых первые две имеют диаметр 1.27 м, а третья — 0.96 м. Верхняя ступень с приборным отсеком закрывается двухлепестковым обтекателем с диаметром, соответствующим размеру нижних ступеней.

Обтекатель, как и все маршевые РДТТ ракеты, изготавливается фирмой Hercules из композиционных материалов. Общая доля композитов в массе конструкции ракеты составляет 94%, алюминия — 5%, а 1% приходится на титановые сплавы. Масса снаряжаемого топлива и средняя тяга двигателя первой ступени составляют 12.1 т и 50.7 тс, РДТТ второй ступени — 3 т и 12.6 тс, РДТТ третьей ступени — 0.77 т и 4 тс соответственно.

Предполётное обслуживание РН Pegasus

Первый пуск Pegasus был произведен 5 апреля 1990 г. с самолета-носителя В-52 Stratofortress и прошел успешно. В 1994 г. компания поменяла самолет на модернизированный L-1011, ранее принадлежавший Air Canada. Самолёт-носитель назвали Stargazer. Наземный комплекс ракет Pegasus первоначально был развернут в Летно-исследовательском Центре имени Драйдена, однако из-за его ограниченных технических возможностей в 1994 г. компания OSC перенесла все службы комплекса на авиабазу Ванденберг.

Схема деления ракеты

Там военные предоставили ей более обширные помещения, позволившие вести работы одновременно с четырьмя изделиями. В том же году появился новый, более грузоподъемный вариант РН — Pegasus XL. Его первая и вторая ступени длиннее, а крыло усилено, чтобы нести больший вес. В новой версии ракеты появился адаптер, позволяющий выводить на орбиту сразу два КА. Обтекатель, правда, остался прежним, поэтому аппараты для совместного запуска должны быть относительно компактными.

Схема полёта

Транспортировка РН Pegasus к самолёту

Многоразовая авиационно-космическая система АО ИСОН (проект)

Многоразовый ракетоплан (компоновка)

Многоразовая авиационно-космическая система АО ИСОН — проект предусматривающий создание многоцелевого космического аппарата. Ракетоплан предусматривает решения задач как в воздушном пространстве, так и в космосе. Воздушный старт с самолета-носителя, как ожидается, позволит эксплуатировать космический аппарат в любой точке планеты и обеспечит снижение стоимости запуска. Проект предлагает строительство авиакосмической системы, состоящей из самолета-носителя и орбитального ракетоплана. Носитель должен будет поднимать орбитальный самолет на заданную высоту и выводить на заданную траекторию. После отделения ракетоплан, с помощью ЖРД, установленного на его борту, должен будет совершать полет по заданной программе. Проект компании «ИСОН» предусматривает строительство ракетоплана по аэродинамической схеме «безхвостка».

Схема испытательного полёта демонстратора

Аппарат будет являться низкопланом с крылом малого размаха и килями на законцовках. Проект предусматривает выход на орбиту при помощи собственного ЖРД, что соответствующим образом сказалось на облике и конструкции аппарата. Ракетоплан должен иметь фюзеляж большого удлинения в основном цилиндрической формы. При этом предусматриваются скругленный носовой обтекатель и расширяющийся хвостовой двигательный отсек. В носовой части и в центре фюзеляжа предусмотрены два приборных отсека. Между ними, а также за центральным отсеком размещаются баки для компонентов топлива. Орбитальный самолет получает трапециевидное в плане крыло малого размаха и удлинения, оснащенное развитыми передними наплывами. Задняя кромка крыла оснащается элевонами максимально возможного размаха. На законцовках крыла располагаются два стреловидных киля. Сзади двигательного отсека, снизу, расположена дополнительная аэродинамическая поверхность, выполняющая функции руля высоты. В качестве силовой установки предлагается использовать жидкостный ракетный двигатель 14Д30, заимствованный у разгонного блока «Бриз». Это изделие имеет сухую массу 95 кг и длину 1,15 м при поперечнике не более 950 мм. Двигатель использует топливную пару «НДМГ-АТ», управляющий газ — азот. Тяга определена в 2000 кгс, удельный импульс — 328,6 с. Максимальное время одного включения — 2500 с. Такие характеристики будут достаточны для предлагаемого летного демонстратора. Габариты и масса будущего опытного образца остаются неизвестными. На схеме, показывающей профиль полета, масштабируемый лётный демонстратор (МЛД) ракетоплана изображен на высотном самолете М-55 «Геофизика». Это изделие, как ожидается, сможет выполнять суборбитальные или полноценные орбитальные полеты. В первом случае высота траектории будет достигать 160 км. Скорость на суборбитальной траектории достигнет М=7. Максимально достижимая высота орбиты определяется в 500 км. Расчетный ресурс аппарата — 50 полетов. Перспективный многоразовый аппарат будет подниматься в воздух при помощи самолета-носителя. Самолёт-носитель, с которого будут осуществляться старты ракетоплана ещё не определён. Проект находится на ранней стадии и по этому отсутствует информация о габаритах и массе аппарата. Вероятно, эти особенности перспективного проекта раскроют в будущем. В рамках полетов с разным профилем космический аппарат сможет выполнять широкий круг задач. Прежде всего, его предлагается использовать в качестве платформы для проведения экспериментов, а также в качестве суборбитального транспорта. В частности, многоразовый корабль сможет выводить на низкие орбиты различные спутники, имеющие допустимые габариты и массу.

Launcher One (на этапе ЛКИ)

Авиационно-космическая система Launcher One

Launcher One — авиационно-космическая система, предназначенная для запуска на орбиту малых КА. Система выведения с ракетой Launcher One была впервые упомянута еще в 2008 г., а ее развернутая презентация состоялась в 2012 г., после почти четырех лет разработки.

Ракета-носитель воздушного старта

Отделение ракеты от самолёта-носителя

Первоначально в качестве стартовой платформы в проекте предлагался самолет-носитель WhiteKnightTwo (WK2) суборбитального туристического ракетоплана SpaceShipTwo (SS2): в 2012 г. об этом заявила Virgin Galactic.

Ракета-носитель на подкрыльевом пилоне самолёта

Тем не менее этот план был пересмотрен в пользу иного носителя, поскольку массо-габаритные характеристики ракеты Launcher One со временем выросли, а возможности носителя WK2 были ограничены.

В сентябре 2015 г. сетевой ресурс nasaspaceflight.com сообщил, что Virgin Galactic находится на финальном этапе выбора специально выделенного самолета для Launcher One. Компания выполнила «комплексное обследование всего рынка коммерческих самолетов», обнаружив, что Boeing 747 обладает наилучшим сочетанием стоимости, статистики и развитым потенциалом межполетного обслуживания. Преимущество нового самолета-носителя заключается в более высокой грузоподъемности, что позволяет существенно нарастить характеристики ракеты. До этого Launcher One при запуске с WK2 мог бы выводить полезную нагрузку до 100 кг на полярную или солнечно-синхронную (ССО) и 300 кг — на экваториальную орбиту примерно за 10 млн $. Переход на самолет-носитель 747—400 позволил Virgin Galactic увеличить массу, выводимую на ССО, до 300 кг, или на экваториальную орбиту — до 450 кг. И все по той же цене — 10 млн $. Кроме того, переход на Boeing 747—400 означает, что Launcher One сможет воспользоваться возможностью запуска на полярные орбиты и ССО из точки, отстоящей примерно на 80 км к западу от побережья Лос-Анджелеса, штат Калифорния,

Вид на двигатель первой ступени РН

и на таком же расстоянии от восточного побережья мыса Канаверал, штат Флорида, для экваториальных миссий.

Поднявшись с аэродрома с двумя пилотами и по меньшей мере одним оператором пуска на борту, самолёт-носитель будет в состоянии достичь района воздушного пуска ракеты — «зоны сброса» — через 30 ми — нут после взлета. Отделившись от левой консоли крыла самолета-носителя, Launcher One запустит двигатель Newton Three первой ступени, который развивает тягу 33.3 тс и работает в течение примерно трех минут на топливе «жидкий кислород — керосин». После разделения ступеней включится Newton Four верхней ступени тягой 2.27 тс. Он работает в течение почти шести минут на тех же компонентах. После этого начнется 45-минутная баллистическая пауза, по завершении которой ракета выдаст апогейный импульс, формирующий расчетную орбиту. Обе ступени Launcher One безопасно упадут в море (последняя будет сведена с орбиты), а самолет-носитель вернется в аэропорт, где может быть подготовлен к следующему полету.

Сборочный цех ракет-носителей

Launcher One позиционируется в качестве «доступного специализированного средства доставки на орбиту небольших спутников», направленного на удовлетворение потребностей коммерческих и государственных заказчиков, по цене 10 млн $. Стартовая масса ракеты-носителя оценивается в 25 т.

Транспортировка ракеты к самолёту