Автор: Иван Конюхов
Третья (первая тут, вторая тут) за десять лет попытка американцев создать одноступенчатую ракету-носитель была самой разрекламированной и многообещающей. Но в итоге запомнилась она исключительно скандалами….
«Челнок» второго поколения
К началу 90-х низкая эффективность и надёжность многоразовой космической транспортной системы «Спейс Шаттл» уже не была секретом. На рынок пусковых услуг, за который доселе в основном «бодались» NASA и «Арианспейс», выходят новые игроки, прежде всего, с ракетами российского и украинского производства. Внезапно оказалось, что футуристический «челнок» в качестве простого носителя такой себе конкурент «Союзам», «Протонам» и «Зенитам». Между тем, ожидалось, что размер куша, сиречь грузопоток в космос, в ближайшие годы изрядно вырастет – не хотелось бы без боя сдавать его конкурентам. С россиянами ширилось не только соперничество, но и сотрудничество. С 1995 года «челнок» OV-104 «Атлантис» летает к орбитальной станции «Мир», доставляя на ту большие экспедиции посещения. Правда, основной экипаж «космического дома» всё равно ограничен вместимостью «Союза-ТМ», ибо автономность «Шаттла» даже в составе орбитального комплекса невелика, и постоянно пристыкованной спасательной капсулой он быть не может.
Разумеется, смену обстановки осознают и в NASA, чему в немалой степени «помогают» постоянные нападки Конгресса, норовящего сократить во всех смыслах «космический» бюджет Агентства, сворачивание амбициозных программ, вроде Стратегической оборонной инициативы (СОИ) или орбитальной станции «Фридом», и весьма шаткое положение нового директора Дэниэла Голдина, занявшего своё кресло всего за несколько месяцев до проигранных республиканцами президентских выборов. В рамках исследования «Доступ в космос» NASA прощупывает почву на предмет замены устаревающего орбитального транспорта. Запуски спутников должны стать кратно дешевле, а космические станции нуждаются в многоразовых, но недорогих кораблях снабжения. От научных исследований на борту «челноков» решено отказаться, передав их на орбитальную станцию. Инженеры проанализировали три стратегии:
-
Модернизация «Шаттла» и существующих одноразовых носителей
-
Новое семейство одноразовых ракет, плюс запускаемый на них маленький «челнок»
-
Тяжёлый универсальный многоразовый транспорт
Над каждой стратегией работала обособленная команда исследователей, которая в своих рамках рассматривала несколько проектных альтернатив. Критерий сравнения очень прост: умножив стоимость существующих носителей на прогнозируемое количество пусков до 2030 г., получаем эталонные затраты, которые можно сопоставить с аналогичным произведением для новых систем, сложенным со стоимостью их разработки. Наибольшую экономию давал второй вариант (интересно, что его команда рекомендовала использовать российские двигатели РД-180), но предпочтение в итоге отдали самому технологически продвинутому третьему. У него прогнозировалась наименьшая стоимость выведения полезной нагрузки, что могло привлечь инвесторов. На них предполагалось частично «повесить» затраты на развёртывание системы, оцениваемые почти в 40 миллиардов долларов, дав взамен право её эксплуатировать (в отличие от «Шаттла», чьими запусками занималось NASA).
На выбор конкретной реализации сильно повлияли полёты DC-X – сугубо военного прототипа, о котором гражданские специалисты почти ничего не знали. С сокращением оборонного бюджета DC-X осиротел и NASA взяло его под своё крыло. Когда сотрудники Агентства узнали, что же им такое досталось, они были поражены: команда из 30 человек в течение нескольких дней, а в перспективе и часов готовила экспериментальный летательный аппарат в откровенно спартанских условиях, причём весь этот табор мог сняться с места и оперативно перевести свой скарб на другую площадку. Как же это контрастировало с требовавшим огромного внимания «Шаттлом»! Вердикт NASA был однозначен: снизить затраты на запуск вдесятеро (с $22000 за килограмм полезной нагрузки до чуть более $2000) сможет только одноступенчатый носитель с ракетными двигателями.
Параллельно с группами «Доступа в космос» свои исследования вела команда центра Лэнгли NASA, причём некоторые «многостаночники» успевали и там, и там. Выводы повторились, но в отличие от сугубо теоретического «Доступа в космос», специалисты центра Лэнгли убеждали своих коллег из Центра космических исследований имени Маршала построить экспериментальный суборбитальный прототип X-2000, который то ли дополнял SX-2 от «Макдоннелл Дугласа», то ли конкурировал с ним. Будучи столь же одноступенчатым, Х-2000 эксплуатировал концепцию крылатого челнока à la «Спейс Шаттл» и дивиденды от окончания «холодной войны»: силовая установка состояла из двух американских моторов RS-27A и двух российских кислородно-водородных 11Д57М (в американских источниках обозначены как D-57A), созданных «фирмой» Архипа Люльки ещё для модификаций «лунной неудачницы» Н-1. Рассматривался также НК-33 от всё той же Н-1 и перспективный трёхтопливный РД-701. Мне не удалось найти, когда конкретно закончилась история Х-2000, но финансирования он, очевидно, не получил. Тем не менее, наверняка задел по нему пригодился при создании похожих демонстраторов технологий: Х-34, Х-40, Х-37В.
Работать по выбранному направлению предстояло уже промышленности, а проект выбирался в рамках конкурса RLV (Reusable launch vehicle) с участием трёх фирм. Отказавшись от Х-2000 и SX-2, NASA собиралось ограничиться только более-менее простыми «иксами», такими как Х-34, на которых исследовались отдельные технические решения. А масштабный прототип под названием Х-33, коему предстояло обкатать технологии будущего корабля, разгоняясь в верхних слоях атмосферы впятнадцатеро быстрее звука, отдали на откуп фирме-победителю конкурса. Очень «мягкое» техзадание допускало широчайший набор проектных вариантов, и трое участников сполна воспользовались предоставленными возможностями. Несмотря на разношёрстность обликовых решений, большинство расчётных характеристик у них оказалось близким, так что определяющим обещал стать технический риск и стоимость разработки… но вышло иначе.
«Макдоннелл Дуглас» развивал задел по «Дельта Клипперу» – пирамидальному «несущему корпусу» с вертикальным взлётом и посадкой. Новшеством стали небольшие стабилизаторы вблизи донного среза. «Рокуэлл Интернешнл» представил крылатый корабль типа «Спейс Шаттла», но с несколько иными пропорциями – удлинённый фюзеляж в форме кругового цилиндра и уменьшенное крыло делали его похожим на Х-2000. Казалось, именно эти две фирмы разыграют победу, но не зря конкурсную комиссию обвиняли в необъективности – политические нюансы, похоже, оказались весомее технико-экономических. Детище «Макдоннелла» в массовом сознании увязывалось с «тяжким республиканским наследием» СОИ, от которого демократическая администрация Клинтона всячески открещивалась. А рокуэлловская машина была слишком похожа на вышедший из моды «Шаттл». Зато третье предложение выглядело абсолютно «свежим» и весьма футуристичным. Поговаривают также, что его разработчики согласились вложить в проект больше собственных средств, нежели конкуренты. Так или иначе, летом 1996 г. вице-президент США Альберт Гор в торжественной обстановке объявил победителя – им стала корпорация «Локхид Мартин».
Как это не было
Начиная с первого американского серийного реактивного истребителя Р-80 «Шутинг Стар», инновационные разработки «Локхида» ведёт специальное подразделение под названием Skunk Works. Не исключением стал и космолёт, наречённый Venture Star, а также его прототип Х-33. Их аэродинамическую схему можно описать, как «несущий корпус» – формально она такая же, как у «пирамид» «Макдоннелл Дугласа», но реализована совсем по-другому. Как правило, космический «несущий корпус» имеет форму клина, конуса, пирамиды или сегментного тела, с сопоставимой шириной и высотой и в несколько раз превышающей их длиной. На сверхзвуковых скоростях он создаёт приличную подъёмную силу и, самое главное, приложена эта сила ближе к корме, что позволяет аппарату лететь устойчиво, как дротику. Он обеспечивает более комфортное и манёвренное возвращение с орбиты, нежели фарообразные «спускачи», а по весу и компоновке куда предпочтительнее крылатых кораблей с их тяжёлыми и бесполезными в пустоте несущими поверхностями. Но на «дозвуке» несущая способность тела резко снижается, без оперения оно становится неустойчивым, поэтому сесть «по-самолётному» «несущие корпуса», как правило, не могут – им необходимо раскрывать крылья, как «Спирали», спускаться на парашютах, как «глухопаду» МТК-ВП или «Клиперу», приземляться на реактивной струе, подобно разработкам «Макдоннелл Дугласа».
Venture Star имел несколько иную форму – треугольный «несущий корпус» как будто сплюснули: его ширина почти сравнялась с длиной, а высота стала гораздо меньше. В таком виде он напоминал фюзеляжи авиалайнеров типа «сопряжённое крыло-корпус» (BWB), чьими проектами занимался вовсе не «Локхид Мартин», а очень даже «Макдоннелл Дуглас». Благодаря приличной несущей способности на дозвуковых скоростях посланец космоса смог бы если не вертеть «мёртвые петли», то во всяком случае приземляться «по-самолётному» со скоростью около 300 км/ч, заметно меньшей, чем у того же «Шаттла». Балансировку и аэродинамическое управление обеспечивали два больших стабилизатора, пара килей и отклоняемый щиток под нижней поверхностью корпуса.
Но космос не любит плоских тел – они наихудшим образом воспринимают внутреннее давление. Поэтому топливные баки из трёхслойного углеродного композита с сотовым заполнителем пришлось сделать ненесущими (подвесными). Носовую часть занял кислородный бак сложной формы – дабы избежать больших плоских панелей, его как бы срастили из двух составных цилиндроконических тел. Широким основанием он упирался в грузовой отсек в виде параллелепипеда длиной 13,5 м, шириной и высотой 4,5 м (у «Шаттла» больше: 18,3 на 4,6 м). Концепция грузового отсека аналогична «Дельта Клипперу»: легкосъёмный, обеспечивающий предполётную подготовку космического аппарата отдельно от носителя. В него могла монтироваться кабина экипажа, при этом машина всё равно летела в полностью автоматическом режиме. По бокам от грузового отсека начинались водородные баки с ещё труднее описуемой формой, нежели у кислородных. Не будучи несущими в традиционном смысле (т.е. не являясь наружными стенками ракеты), они тянулись до двигателей, воспринимая и передавая на корпус их тягу. Ещё одной инновацией стал отказ от гидравлической системы: выпуск шасси, управление аэродинамическими рулями, открытие всяких люков и створок – всё это делали электромоторы. Разумеется, выкинув целую систему, разработчики серьёзно экономили массу, получая взамен проблему с быстродействием электрических приводов.
Огненный клин
Но самым рискованным шагом в неизведанное тогда представлялась новая концепция жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Что, казалось бы, революционного можно внести в силовую установку, которую обосновал ещё Циолковский, а в металл воплощали столь же легендарные Роберт Годдард и Валентин Глушко? Революция в американской литературе носит название aerospike, а в наш науч-поп вошла под нелепым имечком «клиновоздушный ракетный двигатель». По сути, это два ряда более-менее обычных ЖРД с маленькими (сильно «недорасширенными») плоскими соплами, установленные в основании клина или конуса, который работает как сопло внешнего расширения. Получается компактная, удобная для компоновки, хорошо разносящая нагрузки на корпус двигательная установка с очень важным именно для одноступенчатых носителей преимуществом: способностью эффективно работать в широком диапазоне высот.
Как известно, сопло предназначено для преобразования потенциальной энергии давления газов в кинетическую – поток в нём разгоняется, повышая импульс отброшенной массы. Если говорить об обычном колоколообразном сопле Лаваля, то наиболее эффективен двигатель, у которого давление газа на его срезе сравнивается с наружным давлением атмосферного воздуха. Правда, на практике их делают несколько короче, ибо вблизи оптимума выигрыш в массе даёт больший эффект, чем дополнительные крупицы скорости газа. Но по мере подъёма давление уменьшается, посему оптимальным режим будет только на какой-то одной высоте. Как правило, сопло проектируют под наибольшую высоту работы – на меньших реактивная струя расширяется не до конца и недодаёт тяги. Делать сопло под какую-то среднюю высоту нельзя, ибо ни килограмма лишней тяги на больших высотах оно не даст, зато «порадует» разрушительными вибрациями. Можно, конечно, извращаться со всякими выдвижными насадками, но они технически сложны и много весят.
Двигателям одноступенчатой ракеты надо работать в широчайшем диапазоне условий – от одной атмосферы на уровне моря до глубокого космического вакуума. Эффективность обычного сопла на больших высотах явно недостаточна, а ведь единой ступени и так тяжело преодолевать барьер формулы Циолковского. Сопло типа aerospike американцы считают панацеей: градиент скорости и давления на участке внешнего расширения саморегулируется, ибо форма свободной границы газового потока зависит от атмосферного противодавления. Таким образом, на всех высотах импульс получается максимальным. Фирма «Рокетдайн» работает над подобными соплами уже лет шестьдесят, они были атрибутом большинства проектов одноступенчатых ракет, ранних вариантов «Спейс Шаттла» и «Дельта Клиппера». Для Venture Star проектировался кислородно-водородный двигатель RS-2200, состоящий из двадцати камер, расположенных по десять вдоль двух сторон клина. На уровне моря такой блок имел тягу 195 тс, в вакууме – 224 тс. Космоплан должен был оснащаться семью «аэроспайками» – два ряда по 70 камер сгорания! Пространственный разнос двигателей позволил отказаться от тяжёлых карданных подвесов и ненадёжных гибких сочленений трубопроводов – «рулить» по всем трём осям предполагалось, дифференцировано дросселируя камеры.
Будущее обретает форму
«Локхид Мартин» и партнёры взяли с места в карьер, развернув не только разработку агрегатов системы, но и строительство Х-33 – экспериментального прототипа космоплана примерно в половину «натуры». Основные решения повторяли «большой» аппарат, но кое-что упростили. В частности, кислородный бак сделали из алюминиевых сплавов, хотя водородные остались композитными. Последние, разумеется, были намного меньше, нежели на Venture Star, но вмещая по 110 м³ жидкого водорода, на тот момент являлись самыми крупными композитными резервуарами для криогенной жидкости. Рядовые инженеры «Сканк Уоркса» били тревогу – технология совершенно неотработанная. Но вняли им лишь в отношении кислородного бака. Менеджмент тоже можно понять: если не выйти на предел технологий того времени, получить обещанные характеристики на Х-33 просто не получится, а Venture Star мог и вовсе не достичь орбиты.
Силовая установка состояла из двух двигателей XRS-2200 – прототипов RS-2200 с пониженным давлением в камерах сгорания и тягой по 93 тс. В сентябре 1999 г. начались их стендовые испытания, которые шли в целом успешно. В отмасштабированном сообразно прототипу грузовом отсеке вместо груза располагалась аппаратура управления. Одной из ключевых технологий, проверяемых на Х-33, была теплозащита, более преемственная с прочно забытым Х-20 «Дина Соар», нежели с «Шаттлом». Форма аппарата обусловила относительно щадящие тепловые режимы, посему вместо капризной керамики удар раскалённой атмосферы сдерживали металлы: никелевый сплав серии «Инконель» на нижней поверхности с температурами до 1000°С и титановые сплавы на верхней поверхности, пропекаемой до 700°С. Поскольку металлы хорошо проводят тепло, панели теплозащиты монтировались на проставках с зазором от корпуса, который предполагалось забить теплоизоляцией. Осенью 1998 г. теплозащита успешно прошла наземные испытания, выдерживая раскалённый до 1093°С поток газа.
Технические новшества дополнялись организационными. «Локхид Мартин» могла с полным правом заявить: «я не халявщик подрядчик, а партнёр», ибо вложила в проект примерно пятую часть бюджета. Взамен фирма получала свободный выбор проектных решений (NASA ограничивалось рекомендациями), упрощение нормативов и, самое главное, сокращённый объём проверок выполнения работы. Такая программа была далеко не одна: например, чуть ранее подобная модель управления сорвала создание беспилотного разведчика RQ-3 «Дарк Стар», но политики и менеджеры не успели или не захотели сделать выводы. Они надеялись, что, сбросив бюрократический балласт, «Локхид Мартин» сделает «быстрее, лучше, дешевле», и уже во второй половине предвыборного 1999 года Х-33 совершит 15 полётов, чем изрядно поможет будущему кандидату от демократов Альберту Гору, который любил светить лицом на фоне амбициозного проекта. И начиналось-то всё обнадёживающе: отдельные компоненты Х-33 выходили на испытания, а сам он потихоньку обретал законченный облик в производственном цеху. Но вместо успеха полезли проблемы – как организационные, так и технические.
Роковой год, можете мне не верить…
1999 год действительно выдался насыщенным. Аудит проекта, проведённый Счётной палатой США (видимо, с привлечением технических консультантов), показал, что ни стоимость, ни характеристики Х-33 не будут соответствовать заявленным. Вместо пятнадцати скоростей звука на высоте 80 км аппарат осилит лишь одиннадцать на 50 км. Впрочем, для столь новаторской машины это не только не гвоздь в крышку гроба, но даже и не сюрприз. А вот чего точно никто не ожидал, так это того, что спроектированная по самым современным на конец ХХ века методикам конструкция окажется принципиально нежизнеспособной.
Первые звоночки прозвенели в самом начале года (видимо, они и стали поводом для аудита), когда выявилось обширное отслоение (непроклей) внешнего слоя стенки опытного водородного бака от сотового заполнителя. Дефект быстро устранили, но статические испытания расставили всё по местам: прочность клеевых соединений на четверть ниже расчётной. Воздух в ячейках сотового заполнителя под воздействием низких температур от жидкого водорода конденсировался, портил клей и вызывал нерасчётные местные нагрузки; по всей видимости, клей и сам по себе оказался недостаточно хорош. Запас прочности у бака Х-33 ещё оставался, хоть и бессовестно низкий, но увеличить размеры ёмкости вдвое под Venture Star уже нипочём бы не получилось. Предложение заполнить соты специальным пенопластом не прошло из-за большой массы.
«Скунсам» не оставалось ничего иного, как перейти на полноразмерной системе к бакам из традиционных алюминиевых сплавов. Во взглядах на агонию проекта различные источники расходятся, даром, что писались эти материалы «по горячим следам». А. А. Шумилин [1] утверждает, что именно баки «потянули» вес пустого аппарата; по словам же Криса Берджина [3], из-за особенностей формы с большим количеством стыков поверхностей алюминиевые ёмкости даже легче композитных. В ноябре развалился «лётный» бак Х-33. Чтобы изготовить новый – хоть композитный, хоть алюминиевый – и дотащить-таки незадачливый прототип до испытаний, нужно было $400…600 млн. в дополнение к уже вложенному миллиарду. Их никто не дал, и в марте 2001 г. NASA закрыло программу. Авторитетный в отрасли специалист Айван Бекей заявил, что для будущих исследований Х-33 с металлической теплозащитой и «аэроспайками», но без композитных баков окажется «недостаточно прорывным». «Локхид Мартин» попытался выцыганить денег из военных, но те быстро поняли, что овчинка не стоит выделки. Впрочем, если верить Берджину военные как раз очень хотели заполучить проект, но Белый Дом начисто блокировал их поползновения.
Шумилин [1] пишет, что стартовый вес Venture Star с алюминиевыми баками вырос в полтора раза, достигнув 1500 тонн, но даже тогда конструкция всё ещё «завязывалась». Однако под возросшую массу пришлось полностью перепроектировать стартовый комплекс, а внутри залитого топливом «под пробку» планёра попросту не осталось места для полезной нагрузки. Её вынесли наружу, скомпоновав сбоку (над верхней поверхностью корпуса), как на советской «Энергии». Но в таком случае спутник нужно либо защищать контейнером-обтекателем, либо он сам должен воспринимать аэродинамические нагрузки при выведении – в любом случае, это снова лишние килограммы и тысячи долларов. В интернете обнаружились даже иллюстрации этого варианта, но его описания в англоязычных источниках мне найти не удалось.
Недостроенный Х-33 некоторое время был законсервирован на авиабазе «Эдвардс» – возможно, на его примере будущие специалисты изучали, как не надо делать космические системы. Впоследствии его, по всей видимости, всё-таки утилизировали. Невостребованной осталась и стартовая площадка, находившаяся в высокой степени готовности, и прошедшая большой цикл испытаний теплозащита. Двигатель XRS-2200 протянул несколько дольше – его удалось «вписать» в другие программы. В августе 2001 г. он надёжно отработал 90 с на 85% номинальной тяги, но на ракетах места ему так и не нашлось.
Конец амбициозной программы мог оказаться и не столь скорым: доработка Х-33 для первой экономики мира была вполне подъёмной, хотя денег, конечно, требовала гигантских. А Venture Star уверенно шёл дорогой «Спейс Шаттла»: фантастически перспективный на бумаге, по мере воплощения он изрядно потерял бы лоск, но всё равно стал бы прорывом – не в стоимости и эффективности, так в «кинематографичности». Первой в истории одноступенчатой ракете многое бы простили, так же как простили «Шаттлу». Но новым хозяевам Белого Дома сей подарочек был не нужен. Зато его утопление для многих, видимо, стало крутой ступенью карьерной лестницы. Подобно тому, как демократы замели под сукно «республиканский» «Дельта Клиппер», администрация Буша предала забвению осрамившийся проект, на коем столь неосмотрительно пиарился несостоявшийся президент Гор. Поиски замены «Шаттлу» продолжились, подстёгиваемые гибелью «Колумбии» и планами по возвращению на Луну, но одноступенчатые ракеты оказались дискредитированы по всему миру на десятилетия вперёд – уж очень громким оказался провал Х-33. Разброд и шатание с концепциями оставили американскую астронавтику у разбитого корыта и на десяток лет – вообще без своего пилотируемого корабля. Зато сейчас «Крю Дрэгон» вовсю гоняет на орбиту, вот-вот с людьми полетят «Старлайнер», «Орион» и фантастический «Старшип» – американцы пришли к успеху отнюдь не кратчайшим путём, выкинули на ветер кучу денег, однако даже столь неупорядоченная, зато упорная работа оказалась несоизмеримо результативнее шуток про батуты.
Источники
-
Шумилин А. А. Авиационно-космические системы США. М.: «Вече». 2005
-
Bergin C. X-33/VentureStar – What really happened // NASASpaceFlight.com
-
Dale Reed R., Lister D. Wingless Flight. The Lifting Body Story. Ch. 9
-
Афанасьев И. Выпавшее звено // Новости Космонавтики. 2007. №6
-
Wikimedia Commons, NASA (иллюстрации)
Автор: Иван Конюхов
