Ракеты-носители для лунной экспедиции, проектируемые на элементной базе мткс «Спейс Шаттл»

Новые ракеты семейств «Атлас-5» и «Дельта-4» могли бы использоваться для запуска отдельных грузов. Но они не могут быть сразу же приспособлены для выведения аппарата CEV, так как изначально не предназначались для пилотируемых программ, а для повышения уровня их надежности потребуется провести весьма дорогостоящие доработки. Таким образом, в самые сжатые сроки NASA предстоит спроектировать, построить и испытать новую транспортную системы для пилотируемых полетов. Наиболее предпочтительными вариантами представляются ракеты, созданные на элементной базе МТКС «Спейс Шаттл»: твердотопливных ускорителях и подвесном топливном отсеке, оснащенном двигательной установкой. Грузоподъемность подобных систем может находиться в пределах 80—100 т. В качестве разгонных блоков, которые обеспечат перелеты к другим планетам, предлагается использовать криогенные ступени с упомянутых ракет «Атлас-5» и «Дель-та-4». За счет максимального использования уже имеющихся ракетных блоков NASA планирует сократить как расходы, так и время, ибо для соблюдения установленных сроков первые полеты новой транспортной системы должны состояться в 2008—2010 гг.

<<<Назад Страница 68 Далее>>>

<<<Назад Страница 69 Далее>>>

Программа SLI. Разработка двигательных установок Одной из важнейших проблем создания новой МТКС является разработка высокоэффективной силовой установки. Поэтому значительная часть бюджета программы SLI была отведена на эти цели. -К концу 2002 г., то есть за два года реализации программы, расходы NASA на НИОКР по перспективным двигателям составили около 220 млн долл. Дополнительные ассигнования на данную тематику были выделены после решения о детальной проработке вариантов использования в составе будущей МТКС ракетных блоков на углеводородном горючем. Несмотря на то что NASA практически прекратило работы по криогенным ЖРД, подготовленные в рамках программы SLI проекты могут представлять не только чисто исторический интерес. Если для обеспечения лунной экспедиции новая ракета-носитель будет проектироваться на базе МТКС «Спейс Шаттл», то в ее составе, вероятнее всего, найдут применение либо сами двигатели SSME, либо их модификации. При подготовке задания на разработку криогенного ЖРД по программе SLI NASA определило следующие основные требования: высокая надежность, безопасность, экономичность и простота в эксцлуатации. В частности, требовалось обеспечить периодичность проведения технического обслуживания не менее чем через 50 стартов (для сравнения: профилактический ремонт двигателей SSME проводится в настоящее время после каждого полета МТКС). При этом NASA допускало некоторое ухудшение массово-энергетических характеристик для нового ЖРД в сравнении с двигателем SSME. Поэтому оба подрядчика по криогенным ЖРД — компания «Rocketdyne» и объединение фирм «Pratt and Whitney» и «Aerojet» — в качестве образца для своих изделий приняли двигатель SSME. Проектировавшиеся ими ЖРД работали по замкнутой схеме с дожиганием восстановительного (с избытком горючего) газогенераторного газа. Таким образом, компании попытались реализовать «старую» концепцию на более высоком технологическом уровне с использованием новейших конструкционных материалов, механических устройств, электроники и т.п. Участие вышеназванных компаний в проекте SSME естественно повлияло на их выбор нового изделия. Но в то же время обозреватели отмечали то обстоятельство, что подобные ЖРД могли бы потребоваться и для МТКС «Спейс Шаттл», если было бы принято решение о ее качественной модернизации. Компания «Rocketdyne», являющаяся головным разработчиком ЖРД SSME, проектировала двигатель RS-83 тягой 294 т на уровне моря. В изделии предполагалось использовать технологии, освоенные фирмой при разработке ЖРД RS-68 для первой ступени ракеты «Дельта-4» и двигателя XRS-2200 экспериментального аппарата Х-33. Основные узлы ЖРД RS-83 изготавливаются методом порошковой металлургии, что уменьшило число сборочных элементов и массу изделия до 4,53 т. Важными компонентами ЖРД высотой 4,8 м являются новые турбонасосные агрегаты с гидростатическими подшипниками. Двигатель «Cobra» («Кобра») тягой 272 т в вакууме, разрабатывавшийся фирмами «Pratt and Whitney» и «Aerojet», должен был комплектоваться модернизированными ТНА с двигателя SSME (первая компания является их поставщиком). Фирма «Aerojet» отвечала за компоновку камеры сгорания; освоенный ею метод диффузионной сварки намечалось применить при сборке форсуночной головки. В отличие от двигателя SSME оба новых ЖРД оснащались одним газогенератором и цельными соплами с фрезерованными каналами охлаждения (на базовом изделии рабочая смесь для турбонасосных агрегатов подается от отдельных газогенераторов, а сопло имеет сложную наборную конструкцию из трубок). Кроме того, обе компании предполагали отказаться от гидравлических силовых приводов, заменив их электромеханическими. По сравнению с ныне применяемыми устройствами электромеханические приводы имеют ряд важных преимуществ, которые позволят существенно улучшить некоторые технико-экс-плуатационные показатели новых ЖРД. В частности, гидравлические приводы предполагают наличие вспомогательной энергетической установки для обеспечения давления в рабочих магистралях (на орбитальном корабле МТКС «Спейс Шаттл» эти функции выполняют три агрегата, работающие на токсичном гидразинном горючем). Кроме того, требуется дополнительная система обогрева гидравлического оборудования и магистралей во время орбитального полета. Также к недостаткам ги драв л и-ческих приводов относят высокую чувствительность к чистоте рабочей жидкости и относительно низкую надежность из-за возможных утечек и загрязнения внутренних отсеков корабля, что неоднократно происходило в полетах МТКС «Спейс Шаттл». Но их бесспорными достоинствами являются низкая стоимость и лучшие массовые характеристики. Наиболее существенными отличиями проектировавшихся ЖРД стали схемы размещения ТНА. В двигателе «Cobra», как и на базовом изделии, турбонасосы устанавливаются параллельно с раздельной подачей газогенераторного газа, тогда как в двигателе RS-83 эти агрегаты питаются от одной магистрали. При этом каждый из разработчиков считает свой вариант наиболее безопасным.

<<<Назад Страница 69 Далее>>>

<<<Назад Страница 70 Далее>>>

Программа SLI. Разработка двигательных установок (Часть 2) В отличие от криогенных ЖРД, проектирование которых было прекращено по истечении сроков первых контрактов, работы по кислородно-керосиновым двигателям продолжаются. Наряду с различными проектами по созданию новых конструкционных и теплозащитных материалов, а также инновационными разработками по СПВРД и комбинированным двигателям эти силовые установки стали основным компонентом программы NGLT, ставшей составным элементом «Национальной аэрокосмической инициативы» NAI. Многообразие работ поддерживается за счет финансирования их военными организациями, заинтересованными в создании двигателей на дешевом и нетоксичном углеводородном горючем. Согласно бюджетным планам, на такие НИОКР в 2005 и 2006 ф.гг. будет запрошено около 1 млрд долл. Компания «Rocketdyne» занимается проектированием кис-лородно-керосинового ЖРД RS-84 тягой 453 т (стоимость первоначального контракта составила 34 млн долл.). Важной особенностью этого ЖРД является газогенератор, работающий на смеси с преобладанием окислителя. Предварительные изыскания по данному изделию с ресурсом в 100 полетов фирма «Rocketdyne» провела в конце 1990-х годов, когда изучались возможности создания для МТКС «Спейс Шаттл» крылатых стартовых ускорителей. Летом 2003 г. фирма утвердила эскизный проект двигателя RS-8^, а также провела в Центре Стен-ниса огневые испытания его газогенератора, развившего тягу 18 т. К стендовым запускам экспериментального образца ЖРД планируется приступить в конце 2007 г. Другим подрядчиком по кислородно-керосиновым силовым установкам является компания «Northrop Grumman», выкупившая1 подразделение фирмы TRW, которое разрабатывало двигатель TR-107 тягой 453 т. После выполнения работ по проекту в рамках программы SLI в начале 2003 г. NASA заклют чило с компанией на 18 месяцев дополнительный контракт стоимостью 21 млн долл. Двигатель TR-107 проектируется на базе уже изготовленного и испытанного фирмой в конце 2000 г. изделия Low Cost Pintle Engine (LCPE). Последний ЖРД стал одним из самых мощных американских двигателей, разработанных в последнее время, — его тяга составляет 300 т, а внешний диаметр камеры сгорания достигает 1,72 м. Среди конструктивных особенностей двигателя LCPE, иногда называемого Pintle, в печати указываются широкое использование стали, абляционная теплозащита и упрощенная конструкция камеры сгорания, в которой один из компонентов подается через кольцевую щель осевого распылителя перпендикулярно струям другого (отсутствие многочисленных форсунок позволяет существенно снизить стоимость камеры). По своей компоновке и схеме новый ЖРД схож с двигателем LMDE, созданным фирмой TRW в 1960-е годы для посадочной ступени лунного модуля корабля «Аполлон». Одним из преимуществ использования в составе перспективных средств выведения кислородно-керосиновых блоков является простота монтажа на них ВРД, которые обеспечат возвращение изделия на космодром. В отличие от криогенных ступеней исключается необходимость в дополнительных емкостях с углеводородным горючим, мощной теплоизоляции и т.п. Тем не менее существует и ряд проблем, присущих данному конструкторскому решению. Для их изучения осенью 2002 г. Центр Гленна заключил с компаниями «Pratt and Whitney» и «General Electric» десятимесячные контракты стоимостью по 300 тыс долл. каждый. В ходе работ, которые финансировались из бюджета программы Raser («Revolutionary Aerospace.Engine Research» — «Исследования по инновационным аэрокосмическим двигателям»), подрядчикам было предложено рассмотреть следующую схему полета жидкостных ускорителей г отделение от МТКС на высоте 60 км при скорости М=8, запуск ВРД после планирующего спуска производится на высоте 10 км при скорости М=0,6—-0,8, посадка блока выполняется по командам с земли. К основным вопросам исследования заказчиком были отнесены: — оценка компоновки и взаимодействия конструкций разгонного блока и вспомогательной силовой установки; — технологические аспекты наземного обслуживания ВРД на всех этапах предстартовой подготовки; — изучение проблем включения ВРД в полете; — оценка негативных факторов запуска и полета МТКС (высокие стартовые перегрузки и вибрации, которые потребуют усиления опор крепления валов вертикально расположенных ВРД, резкие перепады температур, особенно при использовании криогенного центрального блока, и т.п.). Кроме того, фирмы должны были подготовить конкретные предложения по комплектации разгонных блоков двигателями для автономного полета. Среди наиболее предпочтительных вариантов фирмой «Pratt and Whitney» называются гражданские ТРДД PW2040 и PW4098, а также военные П19и F135; компания «General Electric» предлагает модифицировать свои двигатели CFM56, CF6, F118 и F136. Помимо мощных силовых установок в рамках программы SLI разрабатывались различные двигатели для верхних ступеней и космических аппаратов. Компания «Pratt'and Whitney» изучала возможности создания криогенного ЖРД тягой до 136 т, работающего по испарительному циклу. Решение задачи резкого повышения энергетических характеристик установок данного типа, аналогичных моделям RL-10, предполагает эффективную теплопередачу с рубашки охлаждения горючему, который должен обеспечить высокую мощность турбин насосов подачи компонентов топлива. По отдельному контракту стоимостью 7,6 млн долл. компания «Aerojet» проектировала двухуровневый двигатель для систем ориентации и стабилизации. Номинальные значения такого ЖРД, работающего на жидком кислороде и этиловом спирте, должны составить 11,3 кг и 394 кг. Стендовые испытания отдельных компонентов новых двигателей были проведены фирмой в конце 2001 г. Достаточно экзотичной тематикой занималась фирмд «Andrews Space and Technology». Заключенный с NASA контракт стоимостью 3 млн долл. позволил ей приступить к созданию системы сбора и обогащения атмосферного кислорода (Air Collection and Enrichment System — ACES) для перспективной двигательной установки под общим названием «Alchemist» («Алхимик»). Использование на начальном этапе полета атмосферного кислорода существенно улучшит массово-энергетические характеристики ТКС. Исследования возможностей забора и переработки кислорода из воздуха для снабжения комбинированных ракетных двигателей NASA и ВВС проводили еще в 1960-х годах. Тогда подобные установки предполагалось использовать при сверх-и гиперзвуковых полетах. Однако высокие технические требования (производительность бортовой системы ожижения должна была быть не ниже 181 кг/с) не позволили успешно реализовать данную идею. В частности, чистота компонента, выработанного в ходе проводившихся экспериментов, не превышала 95%. Система ACES двигателя «Alchemist» рассчитана на дозвуковой режим, что существенно облегчает и упрощает ее конструкцию. На основе предлагаемой силовой установки фирма «Andrews Space and Technology» подготовила проект двухступенчатой многоразовой системы «Gryphon» («Грифон»). Горизонтальный взлет первой крылатой ступени, по размерам сопоставимой с самолетом «Боинг-747», обеспечат турбовентиляторные двигатели. На этапе дозвукового полета система ACES осуществит сбор и очистку атмосферного кислорода. Сжижение компонента будет производиться в теплообменниках с Жидким водородом, который затем должен использоваться качестве горючего в ракетных двигателях. После заправки топливных баков обеих ступеней включатся маршевые ЖРД само-лета-разгонщика. Отделение второй ступени предполагается осуществлять на высоте 60 км. Такая транспортная система рассчитывается на доставку к Международной космической станции грузов массой до 27 т, а в герметизированном модуле массой 9 т. При этом удельные затраты на выведение не превысят 1100 долл./кг. Вероятно, благодаря проекту «Gryphon» фирма «Andrews Space and Technology» была привлечена NASA к работам по программе, предполагающей создание альтернативных (по отношению к МТКС «Спейс Шаттл») средств снабжения МКС. Согласно заключенному в конце 2003 г. контракту стоимостью 2,9 млн долл., фирма должна подготовить концепцию перспективного транспортного аппарата, который позволил бы доставлять к станции грузы массой 48,7 т, а возвращать на Землю около 35 т. Концепция «Alchemist» находится на начальной стадии проработки. В рамках программы SLI фирма провела детализацию проекта, подготовила план мероприятий по снижению риска при его реализации, а также составила программу стендовых испытаний основных элементов. Участие в федеральных программах значительно повышает шансы фирмы «Andrews Space and Technology» на получение дополнительных средств от неправительственных организаций. Конечной же целью проводимых работ руководство фирмы видит в привлечении к созданию штатной системы ACES какой-либо крупной двигателестроительной компании, которая сочла бы возможным использовать данную установку в своих перспективных проектах. Итак, описание программ SLI и NGLT завершает раздел, посвященный работам по созданию МТКС второго поколения. В общем контексте эволюции авиационно-космических систем данные проекты занимают особое место, поскольку основной их задачей было не создание конкретного изделия, а подготовка элементной базы для будущих средств выведения. За три года выполнения этих программ такой подход оправдал себя в полной мере. Без значительных расходов NASA трижды меняло стратегию своих разработок: сначала сместив акценты с криогенных разгонных ступеней на кислородно-ке-росиновые, потом резко снизив приоритет создания самой МТКС в пользу пилотируемого аппарата OSP и, наконец, решив создавать на базе последнего межпланетный пилотируемый корабль CEV. Идея поэтапного формирования внешнего облика и определения характеристик новой ТКС исходя из реальных достижений в сфере производства качественно отличает программы SLI и NGLT от таких проектов, как «Dyna Soar», «Спейс Шаттл» и «Venturestar», в ходе которых общий вид и схема будущих аппаратов определялись в большей степени по результатам предварительных изысканий и проектно-конструк-торских проработок. В итоге все три названных проекта, учитывая первоначальный вариант МТКС «Спейс Шаттл» с двумя крылатыми ступенями, завершились неудачами. В отношении разработки новых технологий текущее десятилетие, вероятно, можно сравнить с 1960-ми годами, когда проводились исследования по самым разным направлениям: исп.ытывались ракетоплан Х-15 и «несущие корпуса»; отрабатывались новые силовые установки типа СПВРД, ЖРД с центральным телом и т.п. Но практическим результатом того периода стала МТКС «Спейс Шаттл», по своей схеме весьма отличная от рассматривавшихся ранее. Нечто подобное может проявиться и в ближайшее время. Многочисленные технологические проекты широкой тематической направленности, которые предпринимались в последние годы, позволили создать универсальную элементную базу для перспективных авиационно-космических систем различных типов и назначения: от трансатмосферных аппаратов боевого применения до пилотируемых кораблей для дальнего космоса.

<<<Назад Страница 70 Далее>>>

<<<Назад Страница 70 Далее>>>

Программа SLI. Разработка двигательных установок (Часть 2) В отличие от криогенных ЖРД, проектирование которых было прекращено по истечении сроков первых контрактов, работы по кислородно-керосиновым двигателям продолжаются. Наряду с различными проектами по созданию новых конструкционных и теплозащитных материалов, а также инновационными разработками по СПВРД и комбинированным двигателям эти силовые установки стали основным компонентом программы NGLT, ставшей составным элементом «Национальной аэрокосмической инициативы» NAI. Многообразие работ поддерживается за счет финансирования их военными организациями, заинтересованными в создании двигателей на дешевом и нетоксичном углеводородном горючем. Согласно бюджетным планам, на такие НИОКР в 2005 и 2006 ф.гг. будет запрошено около 1 млрд долл. Компания «Rocketdyne» занимается проектированием кис-лородно-керосинового ЖРД RS-84 тягой 453 т (стоимость первоначального контракта составила 34 млн долл.). Важной особенностью этого ЖРД является газогенератор, работающий на смеси с преобладанием окислителя. Предварительные изыскания по данному изделию с ресурсом в 100 полетов фирма «Rocketdyne» провела в конце 1990-х годов, когда изучались возможности создания для МТКС «Спейс Шаттл» крылатых стартовых ускорителей. Летом 2003 г. фирма утвердила эскизный проект двигателя RS-8^, а также провела в Центре Стен-ниса огневые испытания его газогенератора, развившего тягу 18 т. К стендовым запускам экспериментального образца ЖРД планируется приступить в конце 2007 г. Другим подрядчиком по кислородно-керосиновым силовым установкам является компания «Northrop Grumman», выкупившая1 подразделение фирмы TRW, которое разрабатывало двигатель TR-107 тягой 453 т. После выполнения работ по проекту в рамках программы SLI в начале 2003 г. NASA заклют чило с компанией на 18 месяцев дополнительный контракт стоимостью 21 млн долл. Двигатель TR-107 проектируется на базе уже изготовленного и испытанного фирмой в конце 2000 г. изделия Low Cost Pintle Engine (LCPE). Последний ЖРД стал одним из самых мощных американских двигателей, разработанных в последнее время, — его тяга составляет 300 т, а внешний диаметр камеры сгорания достигает 1,72 м. Среди конструктивных особенностей двигателя LCPE, иногда называемого Pintle, в печати указываются широкое использование стали, абляционная теплозащита и упрощенная конструкция камеры сгорания, в которой один из компонентов подается через кольцевую щель осевого распылителя перпендикулярно струям другого (отсутствие многочисленных форсунок позволяет существенно снизить стоимость камеры). По своей компоновке и схеме новый ЖРД схож с двигателем LMDE, созданным фирмой TRW в 1960-е годы для посадочной ступени лунного модуля корабля «Аполлон». Одним из преимуществ использования в составе перспективных средств выведения кислородно-керосиновых блоков является простота монтажа на них ВРД, которые обеспечат возвращение изделия на космодром. В отличие от криогенных ступеней исключается необходимость в дополнительных емкостях с углеводородным горючим, мощной теплоизоляции и т.п. Тем не менее существует и ряд проблем, присущих данному конструкторскому решению. Для их изучения осенью 2002 г. Центр Гленна заключил с компаниями «Pratt and Whitney» и «General Electric» десятимесячные контракты стоимостью по 300 тыс долл. каждый. В ходе работ, которые финансировались из бюджета программы Raser («Revolutionary Aerospace.Engine Research» — «Исследования по инновационным аэрокосмическим двигателям»), подрядчикам было предложено рассмотреть следующую схему полета жидкостных ускорителей г отделение от МТКС на высоте 60 км при скорости М=8, запуск ВРД после планирующего спуска производится на высоте 10 км при скорости М=0,6—-0,8, посадка блока выполняется по командам с земли. К основным вопросам исследования заказчиком были отнесены: — оценка компоновки и взаимодействия конструкций разгонного блока и вспомогательной силовой установки; — технологические аспекты наземного обслуживания ВРД на всех этапах предстартовой подготовки; — изучение проблем включения ВРД в полете; — оценка негативных факторов запуска и полета МТКС (высокие стартовые перегрузки и вибрации, которые потребуют усиления опор крепления валов вертикально расположенных ВРД, резкие перепады температур, особенно при использовании криогенного центрального блока, и т.п.). Кроме того, фирмы должны были подготовить конкретные предложения по комплектации разгонных блоков двигателями для автономного полета. Среди наиболее предпочтительных вариантов фирмой «Pratt and Whitney» называются гражданские ТРДД PW2040 и PW4098, а также военные П19и F135; компания «General Electric» предлагает модифицировать свои двигатели CFM56, CF6, F118 и F136. Помимо мощных силовых установок в рамках программы SLI разрабатывались различные двигатели для верхних ступеней и космических аппаратов. Компания «Pratt'and Whitney» изучала возможности создания криогенного ЖРД тягой до 136 т, работающего по испарительному циклу. Решение задачи резкого повышения энергетических характеристик установок данного типа, аналогичных моделям RL-10, предполагает эффективную теплопередачу с рубашки охлаждения горючему, который должен обеспечить высокую мощность турбин насосов подачи компонентов топлива. По отдельному контракту стоимостью 7,6 млн долл. компания «Aerojet» проектировала двухуровневый двигатель для систем ориентации и стабилизации. Номинальные значения такого ЖРД, работающего на жидком кислороде и этиловом спирте, должны составить 11,3 кг и 394 кг. Стендовые испытания отдельных компонентов новых двигателей были проведены фирмой в конце 2001 г. Достаточно экзотичной тематикой занималась фирмд «Andrews Space and Technology». Заключенный с NASA контракт стоимостью 3 млн долл. позволил ей приступить к созданию системы сбора и обогащения атмосферного кислорода (Air Collection and Enrichment System — ACES) для перспективной двигательной установки под общим названием «Alchemist» («Алхимик»). Использование на начальном этапе полета атмосферного кислорода существенно улучшит массово-энергетические характеристики ТКС. Исследования возможностей забора и переработки кислорода из воздуха для снабжения комбинированных ракетных двигателей NASA и ВВС проводили еще в 1960-х годах. Тогда подобные установки предполагалось использовать при сверх-и гиперзвуковых полетах. Однако высокие технические требования (производительность бортовой системы ожижения должна была быть не ниже 181 кг/с) не позволили успешно реализовать данную идею. В частности, чистота компонента, выработанного в ходе проводившихся экспериментов, не превышала 95%. Система ACES двигателя «Alchemist» рассчитана на дозвуковой режим, что существенно облегчает и упрощает ее конструкцию. На основе предлагаемой силовой установки фирма «Andrews Space and Technology» подготовила проект двухступенчатой многоразовой системы «Gryphon» («Грифон»). Горизонтальный взлет первой крылатой ступени, по размерам сопоставимой с самолетом «Боинг-747», обеспечат турбовентиляторные двигатели. На этапе дозвукового полета система ACES осуществит сбор и очистку атмосферного кислорода. Сжижение компонента будет производиться в теплообменниках с Жидким водородом, который затем должен использоваться качестве горючего в ракетных двигателях. После заправки топливных баков обеих ступеней включатся маршевые ЖРД само-лета-разгонщика. Отделение второй ступени предполагается осуществлять на высоте 60 км. Такая транспортная система рассчитывается на доставку к Международной космической станции грузов массой до 27 т, а в герметизированном модуле массой 9 т. При этом удельные затраты на выведение не превысят 1100 долл./кг. Вероятно, благодаря проекту «Gryphon» фирма «Andrews Space and Technology» была привлечена NASA к работам по программе, предполагающей создание альтернативных (по отношению к МТКС «Спейс Шаттл») средств снабжения МКС. Согласно заключенному в конце 2003 г. контракту стоимостью 2,9 млн долл., фирма должна подготовить концепцию перспективного транспортного аппарата, который позволил бы доставлять к станции грузы массой 48,7 т, а возвращать на Землю около 35 т. Концепция «Alchemist» находится на начальной стадии проработки. В рамках программы SLI фирма провела детализацию проекта, подготовила план мероприятий по снижению риска при его реализации, а также составила программу стендовых испытаний основных элементов. Участие в федеральных программах значительно повышает шансы фирмы «Andrews Space and Technology» на получение дополнительных средств от неправительственных организаций. Конечной же целью проводимых работ руководство фирмы видит в привлечении к созданию штатной системы ACES какой-либо крупной двигателестроительной компании, которая сочла бы возможным использовать данную установку в своих перспективных проектах. Итак, описание программ SLI и NGLT завершает раздел, посвященный работам по созданию МТКС второго поколения. В общем контексте эволюции авиационно-космических систем данные проекты занимают особое место, поскольку основной их задачей было не создание конкретного изделия, а подготовка элементной базы для будущих средств выведения. За три года выполнения этих программ такой подход оправдал себя в полной мере. Без значительных расходов NASA трижды меняло стратегию своих разработок: сначала сместив акценты с криогенных разгонных ступеней на кислородно-ке-росиновые, потом резко снизив приоритет создания самой МТКС в пользу пилотируемого аппарата OSP и, наконец, решив создавать на базе последнего межпланетный пилотируемый корабль CEV. Идея поэтапного формирования внешнего облика и определения характеристик новой ТКС исходя из реальных достижений в сфере производства качественно отличает программы SLI и NGLT от таких проектов, как «Dyna Soar», «Спейс Шаттл» и «Venturestar», в ходе которых общий вид и схема будущих аппаратов определялись в большей степени по результатам предварительных изысканий и проектно-конструк-торских проработок. В итоге все три названных проекта, учитывая первоначальный вариант МТКС «Спейс Шаттл» с двумя крылатыми ступенями, завершились неудачами. В отношении разработки новых технологий текущее десятилетие, вероятно, можно сравнить с 1960-ми годами, когда проводились исследования по самым разным направлениям: исп.ытывались ракетоплан Х-15 и «несущие корпуса»; отрабатывались новые силовые установки типа СПВРД, ЖРД с центральным телом и т.п. Но практическим результатом того периода стала МТКС «Спейс Шаттл», по своей схеме весьма отличная от рассматривавшихся ранее. Нечто подобное может проявиться и в ближайшее время. Многочисленные технологические проекты широкой тематической направленности, которые предпринимались в последние годы, позволили создать универсальную элементную базу для перспективных авиационно-космических систем различных типов и назначения: от трансатмосферных аппаратов боевого применения до пилотируемых кораблей для дальнего космоса.

<<<Назад Страница 70 Далее>>>

<<<Назад Страница 71 Далее>>>

ГЛАВА 5. Разработка перспективных технологий До недавнего времени основные исследования по технологиям перспективных транспортных космических систем и двигательных установок к ним велись NASA в соответствие с «Стратегическим планом работ на 1996—2020 гг.» (Strategic Plan 1996—2020). Большая часть этого плана осталась актуальной и после объявления о второй лунной экспедиции. Согласно «Стратегическому плану работ», все подразделения агентства во главе с Центром Маршалла готовили соответствующую технологическую базу по следующим шести направлениям. 1. Средства выведения КА легкого класса массой до 225 кг. Работы в этой области ведутся NASA в рамках таких проектов, как SBIRP (Small Business Innovation Research Program — «Научно-исследовательские работы малых фирм»), HPDP (Hybrid Propulsion Demonstration Program — «Демонстрация возможностей гибридных двигателей») и других. Основной задачей подобных программ является создание дешевой элементной базы перспективных ТКС, например, гибридных двигателей, камер сгорания упрощенной конструкции и т.д. Среди малых частных фирм, получивших гранты по программе SBIRP, следует отметить компанию «Microcosm», разрабатывающую по заказам военных организаций кислородно-керосиновые ЖРД «Scorpius». Созданные на их базе ракеты со стоимостью запуска 1,5 млн долл. позволят выводить на низкие околоземные орбиты грузы массой до 150 кг. В рамках программы HPDP несколько промышленных фирм и научно-исследовательских организаций ведут независимые работы в области гибридных двигателей, отличающихся высокой степенью безопасности, надежности и экологично-сти. Так, например, специализированное подразделение Стен-фордского университете — SPG (Space Propulsion Group) совместно с представителями Центра Эймса провело свыше 300 стендовых испытаний различных двигателей тягой от 22,6 кг до 1,6 т. Кроме того, в 1999 г. ими был осуществлен запуск экспериментальной ракеты диаметром 5 см и длиной 1,68 м. В перспективе должен состояться полет ракеты диаметром 19 см и длиной 3,7 м на высоту около 25 км. Отличительной особенностью разрабатываемых фирмой SPG двигателей является использование в качестве твердого горючего — парафина SP-1. Помимо широкого распространения и безопасности этот компонент обеспечивает высокоскоростное и достаточно эффективное горение с различными окислителями: окислами азота, жидким и газообразным кислородом. Теоретически удельный импульс двигателя, работающего на парафине SP-1 и жидком кислороде, примерно на 30 с превышает показатель топлива твердотопливного ускорителя МТКС «Спейс Шаттл» (295—300 с против 268 с). Поэтому, несмотря на некоторые недостатки таких гибридных установок: слабую прочность парафина и низкое конструктивное совершенство, отчасти компенсируемое хорошими энергетическими характеристиками, многие энтузиасты считают эти двигатели весьма эффективной заменой современных ТТУ. В качестве аргументов приводятся следующие доводы: гибридные двигатели допускают прекращение работы без разрушения конструкции, что предоставляет возможность проверки их работоспособности после запуска еще на стартовой платформе, как и в случае с маршевыми ЖРД орбитальной ступени; а широкие возможности по дросселированию тяги в полете существенно повысят безопасность полетов МТКС. По предварительным оценкам, гибридные ускорители для системы «Спейс Шаттл» будут иметь диаметр 4,3—4,6 м, а длину 49—52 м; при этом их стартовая масса возрастет примерно на 5%. Отдельным направлением работ по программе HPDP стало создание гибридного двигателя тягой 113 т, четыре стендовых испытания которого были успешно проведены в 1999—2002 гг. Непосредственной реализацией проекта, на который NASA израсходовало 20 млн долл., занималась группа фирм «Lockheed Martin», «Rocketdyne», «Thiokol» и «United Technologies». Освоенные в рамках программы HPDP технологии компания «Lockheed Martin» использовала при создании собственной гибридной ракеты HSR (Hybrid Sounding Rocket), первый запуск которой состоялся в декабре 2002 г. с полигона на острове Уоллопс. Одноступенчатая ракета высотой 17,4м и диаметром 0,61 м (без учета стабилизаторов) комплектовалась двигателем тягой 27,2 т, работающим на жидком кислороде и полибутадиене НТРВ. Подача окислителя в камеру сгорания обеспечивалась давлением наддува бака гелием. Удельный импульс созданного компанией «Lockheed Martin» двигателя оценивается в 290 с, что сопоставимо с кислородно-керосино-выми ЖРД. В качестве полезного груза ракеты HSR при первом старте использовалось экспериментальное оборудование массой 362 кг, подготовленное NASA для отработки новых теплостойких конструкционных материалов. Поскольку запуск прошел успешно, NASA, вероятно, закажет еще несколько аналогичных изделий. Ранее для подобных экспериментов обычно использовались твердотопливные ракеты типа «Терьер-Брант», однако дроссельные характеристики гибридных двигателей существенно расширяют возможности по формированию траекторий полета ракет. 2. Двигательные установки для гиперзвуковых аппаратов. Руководствуясь принятой в 2001 г. «Национальной аэрокосмической инициативой» (NAI), работы в данном направлении NASA ведет в тесном сотрудничестве с военными организациями. Поэтому первоочередными задачами программы NAI является создание боевой техники: к 2012 г. планируется разработать боевые ракеты со скоростью полета М=4, к 2020 г. ударные самолеты с крейсерской скоростью М=2—4. Позднее освоенные технологии могут найти применение и в составе перспективных МТКС. Наиболее предпочтительными вариантами комплектации гиперзвуковых трансатмосферных аппаратов или самолетов-разгонщиков верхних ступеней считаются, прежде всего, углеводородные СПВРД, а также комбинированные двигатели различных схем, например турбопрямоточные и воздушно-ра-кетные. Использование на отдельных участках полета кислорода из атмосферы позволит существенно уменьшить массу и стоимость запуска транспортных систем, а удельные затраты на выведение грузов в космос сократить примерно на два порядка — до 200 долл./кг. НИОКР по комбинированным силовым установкам велись различными подразделениями NASA. Несмотря на то что работы по данной тематике либо полностью прекращены агентством, либо переданы в ведение военным, специализированные центры NASA, располагая богатым опытом и уникальной технической базой, всегда будут привлекаться к таким проектам, хотя бы в качестве соисполнителей и консультантов. В последнее время основные усилия Центра Маршалла были сосредоточены на создании ракетно-прямоточного двигателя ISTAR (Integrated Systems Test of an Air-breathing Rocket), работающего на углеводородном горючем. Эта силовая установка проектировалась на базе комбинированного двигателя «Strutjet», разработкой которого с конца 1980-х годов занимается фирма «Aerojet». Отличительной особенностью последнего изделия является практически неизменяемая на всех режимах работы форма двигательного тракта, что позволяет существенно упростить конструкцию и снизить нагрузки на изделие при переходных процессах. В начале воздушного канала установлены клинообразные стойки, одновременно являющиеся и воздухозаборниками и конструктивными элементами, на которых смонтированы высокоскоростные форсунки и жидкостные двигатели. Запатентованные фирмой «Aerojet» форсунки, как элемент ПВРД установленные на боковых поверхностях стоек, обеспечивают каскадный впрыск горючего. Система подачи топлива к форсункам оснащена высокоэффективными фильтрами, позволяющими не только задерживать посторонние фрагменты, но и дробить крупные молекулярные структуры горючего. Также на стойках предусмотрены механические средства регулировки геометрии воздухозаборников нижней и верхней кромками.

^{Схема работы ракетно-прямоточного двигателя Strutjet: 1 — стоечные ЖРД, 2 — воздушный поток, 3 — высокоскоростные форсунки}

<<<Назад Страница 71 Далее>>>

<<<Назад Страница 72 Далее>>>

Разработка перспективных технологий (Часть 2) В зависимости от области применения двигатель «Strutjet» может работать на разных типах горючего. Жидкий водород предпочтителен для средств выведения КА, углеводородные горючие типа JP-7 JP-10 — для крылатых ракет, пропан — для трансатмосферных боевых аппаратов дальнего действия. Старт одноступенчатой МТКС с установкой «Strutjet» должны обеспечить блоки ЖРД, встроенные в тыльную часть стоек. Избыток горючего в пламени двигателей на начальном этапе полета будет дожигаться за счет атмосферного кислорода, проходящего через воздушный канал. По мере увеличения скоростного напора и изменения соотношения компонентов топлива в сторону окислителя должны постепенно включаться форсуночные головки ПВРД. После достижения скорости примерно М=2,4 жидкостные двигатели будут отключены и силовая установка станет работать в режиме прямоточного двигателя с удельным импульсом до 3800 с. При функционировании установки в режиме СПВРД на скоростях М=5—10 стабильность потока в воздушном канале предполагается поддерживать механическими средствами. В дальнейшем эффективность применения ПВРД падает, и поэтому будут вновь включены ЖРД, которые обеспечат выход транспортного аппарата на околоземную орбиту. На этапе предварительного проектирования двигателя «Strutjet» предполагалось, что усредненный по всему полету его удельный импульс составит 585 с, а тяговооруженность — 22 единицы. За счет применения такой силовой установки в составе одноступенчатой МТКС относительную массу топлива системы можно будет снизить до 84% —(для аналогичных транспортных систем с ЖРД этот параметр составляет 90%). Выполненные летом 1999 г. стендовые испытания уменьшенной в 6 раз модели двигателя «Strutjet» подтвердили реальность достижения указанных характеристик, что, вероятно, и дало основания для инициирования проекта ISTAR. Ракетно-прямоточный двигатель ISTAR, стендовые запуски которого планировалось провести в 2006 г., относится в классу трехкомпонентных; в качестве топлива в нем используются углеводородное горючее марки JP-7, высококонцентрированный раствор перекиси водорода и продукты разложения перекиси. Последние вещества необходимы для воспламенения основных компонентов при запуске ЖРД ракетного блока, которые должны обеспечить разгон летательного аппарата до скорости М=3,5. Контракт стоимостью 16,6 млн долл. на эскизное проектирование двигателя ISTAR был подписан в конце 2000 г. с консорциумом RBC3 или RBCCC (Rocket-Based Combined Cycle Consortium), организованном тремя ведущими двигателестрои-тельными компаниями «Aerojet», «Pratt and Whitney» и «Rocketdyne». Через два года начался этап опытно-конструк-торских работ, оплата которых уже стала вестись из бюджета программы NGLT. Осенью 2002 г. на своей технической базе в Сакраменто (шт. Калифорния) фирма «Aerojet» приступила к стендовым испытаниям форсуночной головки ЖРД ракетного блока. Первые запуски были посвящены отработке операций запуска двигателя, где важная роль отводится катализатору, используемому для разложения перекиси водорода. Полученные результаты показали высокую (до 90%) эффективность катализаторных пакетов, обеспечивших в течение 0,6 с после подачи компонента необходимое для начала горения количество кислорода. Летом 2003 г. сложность испытаний существенно возросла — перед экспериментаторами была поставлена задача получения необходимых данных для создания регенеративной системы охлаждения установки. При этих запусках продолжительность работы ЖРД достигала 300 с при рабочем давлении в камере сгорания 105,6 кг/см². В рамках программы RTA (Revolutionary Turbine Accelerator — «Качественное улучшение характеристик газотурбинных двигателей») Центр Гленна ведет подготовку элементной базы для создания комбинированного турбопрямоточ-ного двигателя, способного работать сначала в режиме двух-контурного турбореактивного двигателя с форсажем (до скорости М=2,5), а затем как ПВРД. Максимально достижимая бкорость для аппаратов с такими силовыми установками определяется М=4—4,2. С начала 1960-х годов, когда был создан турбореактивный двигатель J58 для самолета SR-71, развивающего скорость около М=3, подобные проекты в США еще предпринимались. Поэтому названный ТРД, разработанный фирмой «Pratt and Whitney», стал своеобразным эталоном для нового изделия.  Среди основных требований, предъявляемых к комбинированному двигателю, известны следующие (в скобках указаны параметры ТРД J58): — тяга 25 т (15,6 т); — тяговооруженность 10—15 (4; для современных военных ТРДД она составляет 8 единиц); — диаметр — 1,5 м (1,4 м); — продолжительность работы — 30 мин (1,5 ч); — ресурс термонагруженных элементов — 750 ч (100 ч); — горючее JP-7 или JP-8 с добавками (JP-7). Поскольку разработка летного образца силовой установки еще не обеспечена финансами, то программа RTA ориентирована на создание масштабных моделей будущего двигателя. Летом 2002 г. NASA заключило с фирмой «General Electric» пятилетний контракт стоимостью 55 млн долл. на изготовление экспериментальной модели двигателя тягой 18,1т и диаметром 0,89 м. Эта силовая установка с обозначением GE-57 проектируется на элементной базе ТРДДФ YF-120, который использовался на одном из опытных образцов истребителя ATF. Для нового изделия проектируются высокоскоростные вентилятор и компрессор, а также «гиперзвуковая» форсажная камера. По расчетам, двигатель GE-57 будет иметь тяговооруженность порядка 7—8:1 и продолжительность эксплуатации до капитального ремонта 300—600 ч. Стендовые запуски этой силовой установки могут состояться в 2006—2007 гг. В целях снижения технического риска в рамках программы RTA одновременно проектируется малая модель турбопря-моточного двигателя тягой 4 т и диаметром 0,4 м. В качестве прототипа для этой силовой установки выбран ТРДД FJ44 фирмы «Williams International». К летным испытаниям двигателей семейства RTA намечается приступить в 2010—2011 гг. Возможно, ими, для предварительного разгона, будут оснащаться гиперзвуковые аппараты Х-43В. Для обеспечения полетов этого изделия, которое еще будет оснащено СПВРД, потребуется либо один двигатель GE-57, либо четыре малых модели. Полномасштабный турбопрямоточный двигатель RTA может быть создан и испытан после 2018 г. 3. Перспективные технологии для малых спутников и их разгонных блоков. Многие исследовательские программы предполагают использование миниатюрных КА. Однако прогресс в области электроники значительно опережает достижения в части создания малогабаритных ракетных двигателей. Решением данной проблемы считается разработка требуемых силовых установок на базе технологий производства микроэлектромеханических систем и компьютерных чипов. В качестве примера подобных устройств можно привести микродвигатели, которые были разработаны компанией TRW по заказу Управления DARPA. Новые двигатели, по форме близкие к квадрату со стороной около 0,6 см, предназначаются для использования в системах ориентации и стабилизации КА массой ниже 22 кг, относящихся к так называемым классам микро-, нано- и пикоспутников. Каждый двигатель представляет собой трехслойную конструкцию, ее внешние поверхности выполнены из кремния и стекла. Средний слой имеет сотовую структуру, каждая ячейка которой размером с «маковое зерно» является топливной емкостью с запасом рабочего тела — стифнинокислого свинца. С одной стороны, ячейка закрыта специальной мембраной, которая после срабатывания воспламенителя разрывается, выбрасывая продукты горения; запас топлива в одной ячейке обеспечивает импульс тяги, равный 0,0001 Нхс. Таким образом, работа микродвигателя, в котором нет механических частей, осуществляется в дискретном режиме и позволяет производить многократные (до 20 раз) включения продолжительностью в 1 с. Проектные характеристики этих двигательных установок были подтверждены натурными испытаниями, осуществленными весной 2001 г. при суборбитальном полете ракеты SR-XM компании «Microcosm». В более традиционной форме были разработаны фирмой «Marotta Controls» управляющие сопла для спутников «Space Technology-5» массой 21,3 кг. (Три таких аппарата, которые NASA планирует вывести в космос в 2005 г., будут использоваться для изучения влияния магнитосферы Земли на погоду.) Газоструйные сопла массой около 70 г способны функционировать как в импульсном, так и в постоянном режимах; значения развиваемой ими тяги находятся в пределах 0,01—0,24 кг. При этом время срабатывания изделия не превышает 5 мс, а пиковое энергопотребление 1 Вт. 4. Новые конструкционные и теплозащитные материалы. Изучаются возможности создания материалов для силовых элементов конструкции, работающих при высоких температурах (до 500—1000 °С), а также высокоэффективных теплозащитных покрытий, которые позволили бы существенно уменьшить радиусы закруглений носовых частей и передних кромок несущих поверхностей летательных аппаратов, что необходимо для улучшения их аэродинамических характеристик. Исследования по последней тематике ведутся Центром Эймса в рамках программы «Slender Hypervelocity Aerothermodynamic Research Probes» («Острые передние кромки для высоких гиперзвуковых скоростей»). Осенью 2000 г. с базы Ванденберг состоялся запуск МБР «Минит-мен-3» с экспериментальным носовым конусом, на котором были смонтированы четыре выдвижных кромки из ультратермостойких керамических материалов. Кроме температуры начала абляции 2815 °С другие характеристики этих материалов в печати не сообщались. 5. Двигательные установки с нехимическим преобразованием энергии. Наиболее перспективными в этой области считаются ге-лиотермические и электроракетные двигатели. Одним из первых маршевых ЭРД, доведенных до летного образца, стал ионный двигатель межпланетного аппарата «Deep Space-1», полет которого с задачами исследования астероидов начался в октябре 1998 г. Масса его силовой установки составила 48 кг, а тяга — 9,4 г. Несмотря на малую мощность, эффективность таких двигателей весьма высока — их удельный импульс достигает 3100 с, а незначительный расход рабочего тела (несколько грамм в день) позволяет увеличить срок активного существования КА до нескольких лет. Поэтому эксплуатация аппарата «Deep Space-1» была прекращена лишь в 2002 г.; в ходе выполненного полета общая наработка его ЭРД достигла 16 265 ч (при расчетном показателе 8000 ч). Практически сразу же после запуска аппарата «Deep Space-1» специалисты NASA приступили к наземным испытаниям запасного образца ионного двигателя (единственным отличием этого ЭРД от реального изделия был топливный бак, вмещавший 235 кг ксенона вместо 75 кг). Целью этих работ, выполнявшихся для имитации условий космического пространства в вакуумной камере Лаборатории JPL, было определение реального ресурса подобных установок. Однако окончательные данные о долговечности ЭРД получить не удалось. В середине 2003 г. испытания были остановлены для оценки состояния установки и анализа полученных результатов, так как сроки подготовки аналогичных двигателей для других КА требовали прекращения этого «беспредела». Длившийся более четырех лет эксперимент прерывался только несколько раз из-за сбоев в подаче электроэнергии в испытательный комплекс и для настройки измерительной аппаратуры. В результате общая продолжительность работы изделия составила 30 352 ч.

<<<Назад Страница 72 Далее>>>

<<<Назад Страница 73 Далее>>>

Разработка перспективных технологий (Часть 3) В 2000 г. Центр Джонсона при участии фирмы «MSE Technology Applications» приступил к разработке электромагнитного ракетного двигателя VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), отличительной особенностью которого являются широкие возможности по изменению его основных параметров, в первую очередь удельного импульса, для оптимальной работы на различных участках полета. Двигатель VASIMR, относящийся к плазменным ЭРД, состоит из трех основных элементов; ионизатора, нагревателя и электромагнитного сопла. Первый элемент, включающий в себя форсуночную головку, обеспечивает ионизацию рабочего тела, обычно водорода. Во втором блоке, представляющем собой резонансный циклический ускоритель ионов (циклотрон), происходит повышение энергии полученной плазмы. Электромагнитное сопло соответствующим образом фокусирует и ускоряет поток разогретой плазмы. Наиболее предпочтительной областью применения двигателя VASIMR считается его использование в системах стабилизации спутников для поддержания заданных параметров рабочей орбиты, а также в составе межпланетных КА. Так, например, продолжительность полета корабля с таким ЭРД к Марсу составит всего три месяца, тогда как перелет аппаратов с традиционными ЖРД длится 8—10 мес. Время доставки грузов к планете планируется существенно сократить за счет практически постоянной работы ЭРД — первую половину пути двигатель осуществляет разгон аппарата, вторую — его торможение.