Американские носители космических средств

Полковник А. Апарин, кандидат военных наук

Характерной чертой деятельности США по освоению и использованию космического пространства на современном этапе является активизация работ в области носителей космических средств. По взглядам американских специалистов, уровень их развития в значительной мере определяет реальность выполнения намечаемых космических программ.

В настоящее время США эксплуатируют и развивают два вида носителей космических средств - многоразовые средства выведения космических объектов и одноразовые ракеты-носители (РН), хотя в начале 80-х годов ориентация делалась главным образом на многоразовые транспортные космические корабли (МТКК)

«Шаттл»*. Катастрофа корабля «Челленджер» в январе 1986 года показала несостоятельность ставки только на один вид транспортной системы и обусловила изменение взглядов в области носителей в целом. Суть изменений - отход от взгляда на МТКК «Шаттл» как на универсальное средство решения всех задач выведения космических объектов и переход к формированию смешанной транспортной системы,
включающей в свой состав как одноразовые носители традиционных компоновок, так и многоразовые средства, созданные на базе новых схемных решений.

Одноразовые ракеты-носители в последние годы являются основным средством выведения космических объектов на орбиты. Для этой цели используется до десяти типов РН различных весовых классов, объединенных в серии «Скаут», «Дельта», «Атлас» и «Титан» (рис. 1 и 2). Одновременно ведется разработка ракеты-носителя воздушного запуска «Пегас» для вывода в космос легких полезных нагрузок, а также тяжелых многоразовых и частично многоразовых носителей для запуска на орбиты крупногабаритных космических объектов. Основные характеристики эксплуатируемых американских РН показаны в таблице.

РН серии «Скаут». Запуски этой твердотопливной ракеты производятся с 1960 года. На орбиты выводились легкие навигационные, геодезические, а также исследовательские ИСЗ по программам США и некоторых западноевропейских стран. В настоящее время наиболее широко используется четырехступенчатая ракета-носитель «Скаут-F». Запуски осуществляются со стартовых комплексов, расположенных на Западном испытательном полигоне (авиабаза Ванденберг, штат Калифорния), полигоне о. Уоллопс (США) и итальянском морском полигоне Сан-Марко (у берегов Кении).

Фирмы LTV (США), головная по созданию ракеты «Скаут», и SNIA BPD (Италия) планируют разработать усовершенствованный вариант носителя, получивший название «Скаут-2». Его максимальная грузоподъемность будет увеличена до 550 кг за счет оснащения дополнительными модифицированными твердотопливными стартовыми ускорителями западноевропейской РН «Ариан», а также замены РДТТ четвертой ступени. Стоимость запуска новой РН возрастет на 50 - 60 проц. по сравнению с современным уровнем в 11 - 12 млн. долларов, из которых 7 млн. составляет стоимость самой ракеты.

РН серии «Дельта». Начиная с 1960 года в США на базе баллистической ракеты «Тор» был создан ряд модификаций РН серии «Дельта», различающихся размерами топливных баков, двигателями, типом и количеством стартовых ускорителей, некоторыми другими параметрами.

Всего было осуществлено более 180 запусков РН в интересах министерства обороны и НАСА (США), а также других капиталистических стран. Носители этой серии широко применялись для выведения на различные орбиты связных, метеорологических, исследовательских и экспериментальных ИСЗ (в том числе и по программе СОИ). В настоящее время в оперативном использовании находятся РН «Дельта-3920» и «Дельта-6925». Запуском последней в феврале 1989 года положено начало эксплуатации ракет новой серии, получивших название «Дельта-2». Основным заказчиком этих РН является министерство обороны США, которое зарезервировало 20 носителей для запуска навигационных ИСЗ системы НАВСТАР. Кроме того, фирма «Макдоннелл Дуглас», являющаяся головной по производству этих РН, рассчитывает осуществлять коммерческие запуски и уже располагает несколькими заказами от различных фирм на запуск связных ИСЗ. Эксплуатация более мощных вариантов серии «Дельта-2» - «Дель-та-7920» и «Дельта-7925» - планируется на середину 90-х годов. Они будут запускаться как с полигона космического центра (КЦ) имени Кеннеди (два стартовых комплекса), так и с Западного испытательного полигона (один). Пропускная способность каждого комплекса - шесть запусков в год (стоимость одного - 50 млн. долларов).

РН серии «Атлас». Они были разработаны на базе одноименной баллистической ракеты. Первый запуск в качестве носителя космических средств состоялся в 1958 году. С тех пор с их помощью были выведены на орбиту связные, навигационные, экспериментальные и исследовательские ИСЗ. В настоящее время наиболее активно используются «Атлас-F» и «Атлас-Центавр».

Основным заказчиком является министерство обороны США. Фирма «Дженерал дайнэмикс» получила от него контракт на производство 11 усовершенствованных РН «Атлас-Центавр-2» для запуска десяти военных связных ИСЗ DSCS и одного военно-экспериментального спутника по программе STP. В свою очередь НАСА планирует с помощью этого носителя выводить на орбиту метеорологические ИСЗ GOES. Запуски будут осуществляться с двух стартовых комплексов на полигоне КЦ имени Кеннеди. Стоимость коммерческого запуска составит от 59 до 80 млн. долларов.

По оценке специалистов фирмы «Дженерал дайнэмикс», РН «Атлас-Центавр» сможет успешно конкурировать на рынке коммерческих носителей космических средств. В настоящее время разрабатывается несколько ее вариантов. Один из них, получивший название «Атлас-1», представляет собой обычную РН «Атлас-Центавр», но с увеличенными размерами головного обтекателя и новым бортовым электронным оборудованием, в состав которого входят, в частности, лазерные гироскопы. Этот носитель будет способен вывести на переходную к стационарной орбиту 2,25 т полезной нагрузки, а на межпланетную траекторию - 1,5 т. Другую, более мощную ракету «Атлас-2» планируется использовать по контракту с министерством обороны для запуска связных ИСЗ. Она должна обеспечить выведение 2,68 т на переходную к стационарной орбиту. В ее конструкции предусматривается применение топливных баков увеличенной длины. На РН «Атлас-2А» планируется усовершенствовать верхнюю ступень «Центавр», чтобы увеличить грузоподъемность до 2,81 т. Дополнительная установка четырех стартовых ускорителей на последней модели («Атлас-2А») позволит выводить на переходную к стационарной орбиту полезную нагрузку массой 3,5 т.

РН серии «Титан». Ракеты этой серии были созданы на базе МБР «Титан». Впервые в качестве носителя космических средств РН «Титан-2» была использована в 1964 году. С тех пор разработано несколько вариантов, большинство из которых применялось для запуска военных ИСЗ разведки, связи, навигации. На современном этапе в эксплуатации находятся ракеты «Титан-340», «Титан-2» (это МБР, снятая с вооружения и переоборудованная) и новая - «Титан-4». Для выведения коммерческих полезных нагрузок фирма «Мартин Мариэтта» планирует использовать РН «Титан-34D», которая в коммерческом варианте получила название «Титан-3».

Наиболее мощным носителем этой серии является ракета «Титан-4», разработанная на базе «Титан-340». На ней установлены удлиненные топливные баки (на первой и второй ступенях), семисекционные твердотопливные ускорители, а также более вместительный обтекатель для полезной нагрузки. В качестве верхней ступени может применяться ступень «Иус» или «Центавр».
 

В дальнейшем твердотопливные ускорители планируется заменить новыми трехсекционными (фирмы «Геркулес»), что позволит увеличить массу полезной нагрузки, выводимой на стационарную орбиту, до 5,7 т. Запуски РН «Титан-4» будут осуществляться с полигона КЦ имени Кеннеди и Западного испытательного полигона. С помощью этого носителя министерство обороны США намерено запускать космические аппараты, разрабатываемые по программе СОИ, а также ИСЗ разведки и связи. С этой целью фирме «Мартин Мариэтта» был выдан заказ на поставку 23 РН «Титан-4». В дальнейшем для использования в военных целях предполагается приобрести еще 25 таких ракет. На базе коммерческого носителя «Титан-3» планируется создать РН «Титан-ЗТ», специально предназначенную для доставки полезной нагрузки на переходную к стационарной орбиту. В качестве третьей ступени в этом случае устанавливается ступень «Транс тейдж», способная обеспечить транспортировку 4,6 т груза. Отличительной особенностью является то, что оба носителя («Титан-3» и «Титан-ЗТ») смогут выводить на орбиты сразу по два ИСЗ. Стоимость коммерческого запуска около 100 млн. долларов.

РН «Пегас». Разработка этого принципиально нового носителя была начата фирмами «Орбитал сайен-сиз» и «Геркулес аэро-спейс» в 1987 году. В августе 1989 года на авиабазе Эдвардс (штат Калифорния) состоялась демонстрация опытного образца ракеты, подтверждающая готов-
ность изделия к летным испытаниям. Отличительной особенностью трехступенчатой твердотопливной РН является наличие крыла и хвостового оперения на первой ступени, выполненных из композиционных материалов (рис. 3). В целом на их долю приходится 94 проц. массы конструкции РН, 5 проц. - на алюминиевые сплавы и 1 проц. - на титановые. Запуск ракеты «Пегас» осуществляется с самолета В-52 на высоте 12,2 км при скорости М = 0,8.

В качестве первой полезной нагрузки для РН «Пегас» выведены в апреле 1990 года на орбиту спутник-ретранслятор «Гломар» в интересах ДАРПА (управление перспективных исследований МО) и спутник НАСА «Пегсат», состоящий из двух контейнеров с экспериментальным оборудованием. До первого запуска РН на орбиту США в августе и ноябре 1989 года провели три испытательных полета самолета-носителя В-52 без отделения ракеты в целях проверки предстартовых операций и линий связи.

Космическая система на базе МТКК «Шаттл». Работы, ведущиеся по этой системе, связаны в основном с повышением ее надежности, увеличением грузоподъемности и частоты запусков. Обеспечение безопасности полетов после катастрофы корабля «Чел-ленджер» обусловило применение твердотопливных ускорителей с новой, более надежной схемой соединения секций РДТТ, отказ от планируемого ранее использования РДТТ из композиционного материала и форсирования тяги основной двигательной установки до 109 проц. номинала. Целью НАСА является доведение надежности ускорителей с 0,98 до 0,999, а всей системы до 0,998 (одна авария на 500 полетов).

В интересах увеличения грузоподъемности корабля «Шаттл» при сохранении заданного уровня его надежности прорабатываются варианты замены существующих ускорителей усовершенствованными твердотопливными или жидкостными. В частности, твердотопливные ускорители ASRM (Advanced Solid Rocket Motor) фирмы «Геркулес», изготовленные с применением новой технологии, смогут увеличить грузоподъемность корабля на 5,4 т. Такой же прирост могут обеспечить жидкостные ускорители, исследования по которым ведутся фирмами «Дженерал дайнэмикс» и «Мартин Мариэтта», причем они имеют преимущества по надежности, возможности регулирования тяги и, кроме того, по Аленее вредному воздействию на окружающую среду. Дальнейшее увеличение грузоподъемности МТКК «Шаттл», по оценке специалистов фирмы «Боинг», может быть достигнуто прежде всего за счет снижения массы внешнего топливного бака. Применение алюминиево-литиевого сплава и композиционных материалов позволит уменьшить массу бака на 20 - 30 проц., что обеспечит выигрыш в грузоподъемности около 5 т.
Одним из серьезных последствий катастрофы корабля «Челленджер» явилось общее снижение числа запусков носителей по различным космическим программам. Эксплуатация трех оставшихся после катастрофы орбитальных ступеней сможет обеспечить в течение года восемь - десять полетов, а после ввода в строй в 1992 году четвертого корабля - 11 - 13.

Все указанные мероприятия, по оценке американских специалистов, являются недостаточными с точки зрения обеспечения грузопотоков, необходимых для выполнения таких перспективных космических программ, как СОИ, развертывание долговременной орбитальной станции, освоение Луны и других. В этих условиях НАСА предприняла исследования по созданию тяжелого грузового носителя «Шаттл-С» на базе элементов МТКК «Шаттл». В зависимости от компоновки его грузоподъемность для вывода полезной нагрузки на низкую орбиту должна быть 45 - 70 т. В состав носителя войдут следующие элементы корабля «Шаттл»: внешний топливный бак, стартовые ускорители и основная двигательная установка. Вместо орбитальной ступени устанавливается грузовой контейнер одноразового применения. Разработка такого носителя (при условии принятия об этом решения) должна занять около четырех лет и потребует 0,7 - 1,5 млрд. долларов.

После 2000 года Для замены МТКК «Шаттл» предусматривается разработка полностью многоразового космического . корабля «Шаттл-2» грузоподъемностью 9-30 т. В его концепцию закладываются требования, которые не удалось реализовать в системе «Шаттл», Это относительно невысокие эксплуатационные расходы, гибкость использования, малое время межполетной подготовки. При создании нового корабля должны широко применяться новые облегченные материалы, упроченная теплозащита, многоразовые трехкомпонентные жидкостные ракетные двигатели, экспертные системы контроля и управления с использованием средств «искусственного интеллекта» и т. п. Начало разработки ожидается в середине 90-х годов, а ввод в эксплуатацию -около 2005 года.

Перспективная ракета-носитель ALS. В апреле 1987 года ВВС США начали НИОКР по программе ALS (Advanced Launch System - перспективная система выведения), целью которой является создание к концу 90-х годов нового носителя грузоподъемностью 45 - 90 т, способного обеспечить выведение в космос полезных нагрузок с годовой интенсивностью, в 2 и более раз превышающей современный уровень (400 т). Отдельным требованием выделяется значительное снижение удельной стоимости выведения полезных нагрузок - примерно до 660 долларов за 1 кг. В августе 1988 года были выбраны проекты носителей, предложенные фирмами «Дженерал дзйнэмикс», «Боинг», а также «Мартин Мариэтта» совместно с «Макдоннелл Дуглас» (рис. 4). Окончательный выбор варианта запланирован на 1991 год. Ввод РН в эксплуатацию ожидается в 1999 году, общая стоимость разработки и производства может составить от 20 до 80 млрд. долларов. Снижению стоимости запусков должно способствовать широкое внедрение средств автоматизации и механизации в процесс обслуживания ИСЗ, а также сокращение количества сборочных и контрольно-проверочных операций при подготовке носителей ALS к повторному пуску.

Воздушно - космический самолет. Он создается в США по специальной программе NASP (National Aerospace Plane), принятой в 1986 году. Задачей программы является разработка и испытания экспериментального летательного аппарата (ЛА) Х-30 (рис. 5), который ляжет в . основу как военных, так и гражданских ЛА, способных совершать полеты на гиперзвукозых скоростях в атмосфере или выполнять роль носителя при доставке грузов на околоземные орбиты.

В настоящее время завершены концептуальные исследования воздушно-космического самолета и ведутся работы по второму этапу (до 1990 - 1991 годов - в зависимости от уровня финансирования): оценка концепций и принятие решения о постройке экспериментальных образцов. Намечено строительство трех ЛА: Х-30А для испытаний в полете на гиперзвуковых скоростях, соответствующих числу М = 5 - 15 на высотах 30 - 100 км; Х-30В в качестве носителя полезной нагрузки, при М<25 с выходом на низкую околоземную орбиту и Х-30С для испытаний на земле на статическую прочность. Начало летных испытаний ориентировано на вторую половину 90-х годов.

Успех программы NASP, по оценке американских специалистов, будет зависеть от решения проблем создания гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя, использования жидкого водорода в качестве топлива для двигательной установки и системы охлаждения, разработки конструкции планера и двигателя с применением перспективных конструкционных, в том числе композиционных материалов, теплостойкости и жаропрочности основных узлов и деталей. Решающее значение приобретает создание специальной испытательной базы и разработка методов вычислительной: аэродинамики гиперзвуковых скоростей на ЭВМ, поскольку возможности современных аэродинамических труб не соответствуют, выдвигаемым задачам.

Гиперзвуковой летательный аппарат, построенный на базе Х-30, будет сочетать в себе ряд уникальных возможностей, присущих только этому виду ЛА:
- достижение любой точки земного шара в течение 1-2 ч после взлета с базы на территории США;
- возможность применения в любое время суток и в сложных метеоусловиях;
- повышенная выживаемость вследствие рассредоточения взлетно-посадочных полос при базировании аппарата на обычных аэродромах;
- большая продолжительность полета и малая уязвимость благодаря возможности длительное время находиться на орбите и в атмосфере.

В целом, как считают американские специалисты, реализация рассмотренных программ по созданию носителей различных схемных решений позволит после 2000 года существенно повысить потенциал США в области перспективных транспортировок космических средств.

* МТКК «Шаттл» представляет собой связку, в которую входят орбитальная ступень с экипажем, два твердотопливных ускорителя и внешний топливный бак. В печати (как советской, так и зарубежной) название космического корабля, как правило, отождествляется с собственным названием орбитальной ступени: в частности, МТКК «Шаттл» с орбитальной ступенью «Челленджер» проходит в прессе как космический корабль «Челленджер». - Ред.

Зарубежное военное обозрение №5 1990 С.40-45

• Стартовая площадка для "Шатл"