CC BY
247
Секция
«ИСТОРИЯ, РАЗВИТИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ
ТЕХНИКИ»
УДК 629.783
А. В. Витковский Научный руководитель - А. П. Калмыков Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МНОГОРАЗОВЫХ КОСМИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
На основе анализа разработок и применения многоразовой ракетно-космической техники рассмотрены перспективы развития многоразовых космических транспортных систем (МТКС), как с технической, так и экономической сторон.
Ракетостроение имеет в своей основе два источника - авиацию и артиллерию. Авиационное начало требовало многоразовости и крылатости, тогда как артиллерийское было склонно к одноразовому применению «ракетного снаряда». Боевые ракеты, из которых выросла практическая космонавтика, были, естественно, одноразовыми. На техническом уровне тех лет сделать капсульный корабль многоразовым было практически нереально. Было выбрано наиболее простое решение, так как в вопросах аэродинамики и конструкции капсула куда проще самолета.
И все же идея многоразовости ракетно-космической техники оказалась живучей. К концу 1960-х годов в США и несколько позднее в СССР и Европе был накоплен опыт в области гиперзвуковой аэродинамики, новых конструкционных и теплозащитных материалов. Многие технологически развитые страны, в частности страны Евросоюза (в том числе ранее Франция, ФРГ, Великобритания), Япония, Китай, Индия проводили и проводят исследования направленные на создание собственных образцов космических систем многократного применения (Гермес, Хоуп, Зенгер-2, ХОТОЛ, ASSTS, RLV и т. д.) [2].
В настоящее время только два государства обладают опытом создания и эксплуатации данного типа космических аппаратов: США и Россия. В США была построена целая серия больших космических кораблей многоразового использования «Спейс шаттл», а также проектировались меньшие X-20 Dyna Soar, NASP, VentureStar, в СССР и России - большой корабль «Буран» и проектировались меньшие «Спираль», «Заря», МАКС, «Клипер» [2].
Космическая программа по использованию многоразовых транспортных космических кораблей (МТКК) в СССР была свернута в связи с невозможностью дорогостоящей эксплуатации аппаратов данного типа в сложившихся экономических условиях. В США шаттлы интенсивно использовались, однако в связи с катастрофами шаттлов «Челленджер» (1986) и «Колумбия» (2003) эксплуатация шаттлов, завершается в 2011 г.
Обслуживание международной космической станции (МКС) продолжит новый космический корабль «Орион», который, вероятно, будет введен в эксплуа-
тацию в 2012 г.. На базе элементов МТКК «Спейс Шаттл» ожидается появление новой ракеты-носителя -Арес-1», предназначенной для вывода на орбиту космического корабля «Орион» с экипажем на борту, а затем после 2018-го - РН «Арес-5» для вывода на низкую околоземную орбиту носителя массой свыше 100 т [2].
Отличительной особенностью космических кораблей многоразового использования в настоящее время является то, что для их запуска используются ракеты-носители - например, в Советском Союзе это была ракета-носитель особо тяжелого класса «Энергия, которая могла использоваться для вывода на орбиту особо тяжелых грузов общим весом до 100 т [1]. В США во время запуска «Шаттла» одновременно используются два твердотопливных ускорителя (booster) (используются повторно, но имеют ограниченный ресурс) и двигатели самого орбитального корабля, криогенное топливо для которых черпается из внешнего бака (отделяется позднее и сгорает в плотных слоях атмосферы).
Проектируются МТКК с горизонтальным стартом, например по двухступенчатой схеме со сверхзвуковым или дозвуковым самолетом-носителем, который выводит космический аппарат на заданную точку, поднимает его на определенную высоту, после чего происходит отделение МТКК и он выходит на опорную орбиту используя собственные двигатели. В частности по такой схеме создан суборбитальный космический самолет SpaceShipOne, совершивший три успешных прыжка за 100-километровую отметку, признанную ФАИ границей космического пространства. Одноступенчатая схема запуска, при которой воздушно-космический самолет использует для запуска только собственные двигатели, без сбрасываемых ускорителей или внешних топливных баков (англ. SSTO - Single Stage To Orbit, одноступенчатый орбитальный корабль) большинством специалистов признается неосуществимой при современном уровне развития науки и техники. Преимущества такой схемы, в основном в эксплуатации, надежности и времени подготовки к запуску, в настоящее время не перевешивают затрат на разработку гибридных ракетных двигателей, и сверхлегких материалов, которые необ-
Секция ««История, развитие и эксплуатация ракетно-космической техники»
ходимы для создания такого аппарата. Существуют также проекты многоразовых аппаратов с вертикальным взлетом и вертикальной посадкой на тяге двигателей. Наиболее разработанным (и прошедшим серию испытаний) из них является созданный в США аппарат «Delta Clipper». Вновь разрабатываемые в США («Орион») и России (ППТС с ПТК НП1 («Русь»)) корабли планируются частично-многоразовыми.
По результатам многочисленных исследований, МТКС становятся экономически более выгодными, чем одноразовые ракеты-носители, когда количество требуемых запусков в год достигает 20-25 пусков. Повышение кратности использования требует порой весьма значительного увеличения массы, что ведет к повышению стоимости. Применение многоразовых систем в области малоизученных гиперзвуковых скоростей требует значительных затрат на аэродинамические исследования. И все же это вовсе не значит, что многоразовые системы в принципе не могут окупаться. Возможно, на первых порах окажутся востребованными корабли малой и средней размерности «комбинированного» типа (многоразовые версии «классических» одноразовых», такие как европейский Hermes или, что нам ближе, российский «Клипер». Они относительно просты, могут выводиться в космос обычными одноразовыми ракетами-носителями. Такая схема позволяет сократить расходы в целом. К тому же крылатые аппараты позволяют резко уменьшить перегрузки, действующие на космонавтов при спуске. Применение многоразовых крылатых ступеней позволяет снять ограничения на азимут пуска и
сократить затраты на зоны отчуждения, выделяемые под поля падения фрагментов ракет-носителей, что особенно важно для России.
Наиболее реалистичными, т. е. простыми и относительно дешевыми в разработке, пожалуй, являются два вида систем. Первый - типа «Клипера», в которых принципиально новым оказался только пилотируемый крылатый многоразовый аппарат. Небольшие размеры хоть и создают определенные трудности в части теплозащиты, зато уменьшают затраты на разработку. Технические проблемы для таких аппаратов практически решены. Второй - системы вертикального пуска с двумя крылатыми ракетными ступенями, которые могут самостоятельно вернуться к месту старта. Особых технических проблемы при их создании не ожидается, да и подходящий стартовый комплекс можно, наверное, подобрать из числа уже построенных. Подводя итог, можно полагать, что будущее многоразовых космических систем безоблачным не будет. Им придется отстаивать право на существование в суровой борьбе с примитивными, но надежными и дешевыми одноразовыми ракетами.
Библиографические ссылки
1. Лукашевич В. П., Афанасьев И. Б. Космические крылья. М. : ООО «ЛенТА Странствий», 2009.
2. Многоразовые космические корабли. URL: http://galspace.spb.ru/indexl40.html.
© Витковский А. В., Калмыков А. П., 2011
1 Перспективная пилотируемая транспортная система (ППТС) и Пилотируемый транспортный корабль нового поколения (ПТК НП).
УДК 621.7(07)
Р. А. Гамишаев Научный руководитель - И. Н. Карцан Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ.
Приводится классификация радионавигационных систем, их краткое описание, основные особенности и предназначение.
В настоящее время современные радиотехнические средства навигации представляют собой сложные комплексы технических средств, предназначенных для получения, обработки и преобразования информации о пространственно-временном положении движущихся объектов. Радионавигационная система является одной из составляющих радиотехнических навигационных средств.
Радионавигационная система (РНС) - комплекс из нескольких однотипных или разнотипных радионавигационных устройств, взаимодействующих между собой (по радиоканалам или в рамках единой структурной схемы) и обеспечивающих при совместной работе определение местоположения движущихся объектов и решение др. комплексных задач навигации.
В основу классификации РНС могут быть положены те или иные отличительные признаки, основными из которых являются назначение системы, метод определения положения, метод измерения РНП (вид параметра сигнала, содержащего навигационную информацию). Классификация наземных РНС в соответствии с указанными признаками:
- по назначению: системы дальней и ближней навигации, системы посадки, системы управления движением судов;
- методу определения положения: разностно-дальномерные, дальномерные, угломерные, угломер-но-дальномерные;
- методу измерения РНП: фазовые, импульсно-фазовые, импульсные, амплитудные, амплитудно-
