Аэродинамическое торможение второй ступени РН типа Falcon 9 с грузовым кораблем при помощи донного термозащитного экрана. Иллюстрация автора
Ввиду отсутствия института объективной оценки новаций, в СССР для власть имущих главным критерием годности новации стало наличие аналогов за рубежом. Заявку на изобретение ядерного взрывного устройства, поданную физиками Харьковского физтеха еще в 1940 году, не смогли оценить и отложили в долгий ящик. Отставание пришлось наверстывать копированием американских разработок, добытых разведкой. Авиаконструктору Андрею Туполеву не дали реализовать свой проект перспективного самолета и вынудили заняться копированием американского бомбардировщика В-29.
Визионеры и бюрократия
Нечто подобное произошло и при разработке многоразового космического корабля «Буран». Когда конструктор Глеб Лозино-Лозинский предложил взять за основу свой давний проект «Спираль», некогда замороженный маршалом Гречко на 13 лет, он был отклонен с такой мотивировкой: «Это совсем не то, что делают американцы». – «Да, не то, – соглашались отечественные разработчики. – Но наш вариант более перспективен». В ответ убийственный довод: «Выходит, американцы дураки? Нет, они умные. К тому же свой шаттл они уже сделали. Он летает!»
На этом фоне интересна история с американским мини-шаттлом Dream Chaser. Здесь американские учителя стали прилежными учениками российских визионеров. Газета Washington Post со ссылкой на документы Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) сообщила, что мини-шаттл частично был скопирован с советских беспилотных орбитальных ракетопланов семейства БОР, создававшихся в ходе проекта «Спираль». За характерную притупленную форму носовой части, придававшую ракетоплану форму лаптя, аппарат неофициально именовали «лапоток». Именно такую форму конструкторы собирались придать и кораблю «Буран», но кураторы проекта от партийно-советской номенклатуры потребовали заменить неказистую, но аэродинамически эффективную «лапотную» форму на коническую, как у американского корабля: «Американцы не глупее нас – делайте, как у них!»
Согласно Washington Post, владелец компании-разработчика Dream Chaser Марк Сиранджело в 2005 году посетил Россию и консультировался с инженерами, участвовавшими в разработке семейства аппаратов БОР. Круг замкнулся: американцы сделали, точно как у русских, и отбросили свой первоначальный проект ракетоплана на основе экспериментального аппарата X-34.
Период застоя космонавтики заканчивается. В текущем десятилетии возможны технические прорывы, связанные с использованием ресурсов Луны и астероидов. Национальные космические агентства активно поощряют частные компании искать новые решения в использовании внеземных ресурсов. Это направление сулит многократное сокращение удельных затрат на космонавтику и рост экономической отдачи. Проекты, опередившие свое время на десятилетия, извлекаются из архивов, дорабатываются с учетом современного научно-технического уровня и выявленных недостатков и выносятся на рассмотрение государственных и частных инвесторов.
Актуальные темы новаций – полностью многоразовые ракеты космического назначения; использование лунных ресурсов для производства ракетного топлива и конструкционных материалов; 3D-печать космических аппаратов на орбите из недорогих внеземных материалов; орбитальные заправочные станции; расчистка околоземного пространства от космического мусора. При этом в разных странах часто генерируются одинаковые проекты. Такое дублирование естественно. Но если новации патентуются или поощряются премиями и грантами, то авторам новации с более ранней датой обнародования приходится отстаивать свой приоритет: конкуренцию в нашем мире пока не отменили.
Спасение второй ступени
Весьма примечательна история почти десятилетней давности с дублированием в России и США одной космической новации. В России публикация прошла в 2011 году, а NASA опубликовало аналогичный проект в 2012-м. Автор настоящей статьи получил группу патентов в СНГ, ЕС и США на орбитальную транспортную систему, которая определенную узкую категорию грузов способна очень дешево доставлять в космос с Земли, Луны и при необходимости с других небесных тел. Снижение стоимости возможно в десятки и сотни раз. При этом готовые изделия таким способом доставлять невозможно – только сырье, например слитки металлов или блоки водяного льда. Однако при наличии недорогого сырья в космосе намного дешевле изготовить из него на месте ракетные ступени и космические аппараты, чем доставлять с Земли готовые ступени и аппараты, – современные технологии аддитивной печати это позволяют сделать.
Но сейчас речь не об этой орбитальной транспортной системе, а о схемах применения продуктов переработки внеземных сырьевых ресурсов, добытых при помощи настоящей системы или другим таким же экономичным способом. В частности, нами описывалось решение непростой проблемы сохранения верхних ракетных ступеней при аэродинамическом торможении, сопровождающемся воздействием высокотемпературной плазмы.
Дело в том, что сохранение ступени при возвращении на Землю требует установки защитного экрана двигательной установки, нанесения тяжелого теплозащитного покрытия на топливные баки. Требуется также оснащение ступени системой управления и мягкой посадки с большим запасом топлива, балансировочными щитками с приводами и другими агрегатами. Это дооборудование отрицательным образом сказывается на энергетике ракет-носителей (РН) среднего класса. Поэтому возможность реализации ракетно-аэродинамического способа спасения второй ступени РН среднего класса за счет средств, доставляемых на орбиту этой же ступенью, вызывает у специалистов обоснованные сомнения. Для сверхтяжелых ракет со стартовой массой от 4 тыс. т такое дооборудование благодаря эффекту масштаба возможно.
Этим и воспользовались инженеры компании SpaceX, взяв курс на создание мегаракет. Однако у ракет среднего класса нет ресурсов грузоподъемности для подъема на орбиту массивных средств своего возвращения на Землю. А на данный момент эти средние ракеты наиболее востребованы коммерческой космонавтикой.
Предложенное решение состояло в следующем. Запуск ракет в космос производится без термозащитных оболочек, и ракетные ступени оснащаются защитными оболочками только на орбите перед спуском в атмосферу. Коконы, капсулы и экраны для возвращения последних ступеней РН могут быть «отштампованы» в орбитальной автоматической мастерской из запасов сырья на орбите. Проект реален, так как возможно изготовление теплозащитных оболочек из внешних ресурсов, например из реголита небесных тел, а также металлов, извлекаемых из реголита. Был рассмотрен способ изготовления защитных экранов из лунного сырья, поскольку доставка экранов с Луны многократно дешевле их доставки с Земли. Спуск второй ступени производится в теплозащитной капсуле в форме салазок, которая имеет большее время торможения в атмосфере, что уменьшает тепловые нагрузки.
Технология спасения орбитальной (последней) ступени РН за счет теплозащитных
аэродинамических тормозных экранов из лунных ресурсов: 1 – лунная база
с самоходным сборщиком реголита и катапультой; 2 – лунная орбитальная станция,
состоящая из пилотируемого модуля и модулей переработки реголита и производства
теплозащитных экранов; 3 – теплозащитный экран с межорбитальным буксиром;
4 – космическая станция; 5 – двухступенчатая многоразовая РН;
6 – межорбитальный буксир. Иллюстрация автора
Способ имеет дополнительное преимущество: теплозащитный экран может быть любого требуемого размера и не ограничен по массе – ведь теперь ракетной ступени не надо вывозить его на орбиту. Очень низкая «орбитальная» цена сырья для экрана и высокая стоимость спасаемой ракеты делает выгодным такое применение ресурсов Луны. К примеру, вторая ступень американской ракеты-носителя Falcon 9 имеет себестоимость 12 млн долл. Инженеры SpaceX проанализировали возможность ее спасения и пришли к выводу, что это не оправдывает затраченных усилий. Теперь ракетные ступени типа второй Falcon 9 могут сохраняться и многократно использоваться. На рис. 1 показано возвращение грузового корабля со второй ступенью, оснащенной донным теплозащитным экраном.
Таким образом, предложенная технология позволяет решить проблему создания полностью многоразовых ракет – от первой до последней ступени в среднем классе. При этом в ракетах выше среднего класса, таких как Starship, предложенная технология может применяться с не меньшей пользой: из-за отсутствия лимита на массу тепловые экраны могут изготавливаться с повышенным запасом прочности. Это защитит Starship от аварий, подобных катастрофе шаттла «Колумбия».
Околоземное пространство насыщено опасными микрочастицами космического мусора, поэтому путешественники, отправляющиеся в межпланетный перелет, должны иметь гарантии по сохранению целостности теплозащитного слоя их корабля при посадке на Марс. Помимо повышения безопасности оснащение многоразовых ракет теплозащитой только на орбите повышает их грузоподъемность и экономичность.
На рис. 2 приведена принципиальная схема работы полностью многоразовых ракет на основе поставок теплозащитных экранов с лунной промышленной базы.
Вопрос о процедуре
Почти через год после публикации первой статьи в журнале «Техника молодежи» и размещения английского перевода обеих частей статьи на сайте автора проекта, 12 сентября 2012 года выходит отчет NASA Researchers Look to Alien Soils for Heat Shield («Исследователи обращаются к внеземному грунту для теплового щита»). В ней, в частности, отмечается: «На карту поставлена возможность того, что будущий космический корабль сможет покинуть Землю без тяжелого теплового экрана, а вместо этого оказаться на поверхности другого мира и благополучно отправиться домой. Снижение веса открывает новые возможности – от использования ракет меньшего размера до перевозки большего количества припасов в исследовательских экспедициях. Michael Hogue (Майкл Хог), исследователь из Космического центра Кеннеди NASA во Флориде, в прошлом году во время мозгового штурма предложил эту идею». Далее сообщается: «NASA финансировало концептуальные исследования в рамках своей программы NASA Innovative Advanced Concepts, или NIAC. С тех пор команда инженеров опробовала различные смеси и методы, чтобы выяснить, есть ли у этой идеи потенциал. Пока что испытания были очень успешными: небольшие блоки материала хорошо выдерживали сильный жар паяльной лампы».
Майкл Хог сообщил, что отношение к его усилиям в NASA изменилось «от сдержанного скептицизма к обнадеживающему энтузиазму». Потенциальная экономия веса слишком велика, чтобы ее игнорировать, подчеркнул Хог. Создание теплозащитного экрана в космосе, вероятно, будет делом роботизированного устройства или по крайней мере сильно автоматизированной системы. Основное преимущество в том, что получение готового теплового экрана от астероида или марсианской луны не потребует много затрат, так как сила тяжести очень мала. Тепловой экран может быть любого размера. Его можно использовать для изоляции космического корабля при посадках на поверхность планет.
Итак, суть концепции Майкла Хога сводится к тому, что космический корабль сможет стартовать с Земли без тяжелого теплового экрана, а для возвращения на Землю получить этот экран в космосе благодаря возможности его изготовления из внеземных ресурсов. Избавление от тяжелого экрана на старте открывает новые возможности – от использования ракет меньшего размера (не таких как мегаракеты Илона Маска) до увеличения грузоподъемности ракеты. Очень вероятно, что Илон Маск будет вынужден использовать эту технологию, ибо выгодно: законы космической баллистики не обманешь. А кроме того, решается проблема безопасности. Ведь щиты из внешних ресурсов не имеют ограничений на наращивание запаса прочности.
Нетрудно увидеть, что Хог заново воспроизводит базовую концепцию, опубликованную в России за год до публикации его проекта, – ракета для возвращения на планету не несет с собой тяжелые теплозащитные экраны для верхней ступени и космического корабля, но получает эти средства термозащиты в космосе. Это главное. Если бы Хог сделал отчет по общепринятой форме, то он был бы обязан опубликовать результаты поиска аналогов и прототипов своей разработки. А при нормальном поиске предшествующих идей и проектов он бы неизбежно вышел на наши публикации, переведенные на английский язык. К сожалению, сотрудник NASA пренебрег этой процедурой, обязательной при научной работе, что в результате пришлось делать российскому участнику синхронного изобретения.
Дублирование изобретения в разных странах считается хорошим признаком. Это свидетельство актуальности изобретения и его очевидной для разных людей способности решить назревшие проблемы. В самом деле, проект, опубликованный в 2011 году в России, был проверен опытным путем в NASA и получил одобрение в 2012 году. У проекта хорошее будущее, считают специалисты NASA. Выгоды столь значительны, что ракетчики будут вынуждены использовать теплозащиту, изготавливаемую непосредственно в космосе.
Действительно, инженеры SpaceX испытывают значительные трудности с решением проблемы тепловой защиты верхней ступени Starship. Они меняют одну за другой концепции термической защиты корабля, а российский проект сулит им выход из технологического тупика.
Мусор космического масштаба
В России одним из реально действующих органов по продвижению частных технических новаций и бизнес-инициатив является рабочая группа SpaceNet НТИ. В августе 2020 года в рабочую группу SpaceNet подана заявка на улучшение рассмотренной технологии. Суть ее в том, чтобы вместо лунного реголита использовать тысячи тонн металлолома, который под названием космического мусора множится в околоземном пространстве.
К примеру, на орбитах с общим наклонением в 71 градус находится 26 объектов общей массой 186 т, в том числе 18 объектов общей массой 162 т, 6 с массой 19,5 т и 2 с массой около 5 т. При управляемой прецессии все это сырье можно собрать одним аппаратом-сборщиком.
Всего крупные объекты космического мусора в виде отработанных ракетных ступней имеют общую массу 2900 т. Переработка этого сырья в средства тепловой защиты может обеспечить возвращение 750 ступеней ракет, аналогичных вторым ступеням Falcon 9 общей стоимостью 9 млрд долл. Уже сегодня разработаны способы получения из космического мусора жаростойкого оксида алюминия и пенометаллов и производства на их основе теплозащитных капсул и экранов.
От переработки космического мусора – один шаг к переработке лунных ресурсов. В следующем десятилетии их разработка станет реальностью. Технология десятилетней давности дождалась своего часа.
Из всей этой истории следует важный вывод: российская космическая промышленность не отвечает вызовам времени. Прежде всего в ней отсутствуют механизмы поиска и развития прорывных технологий. Как сформулировал на страницах «НГ-науки» экс-космонавт-испытатель Сергей Кричевский, проблема в следующем: «Россия не имеет общенациональной «космической головы», настоящего общенационального космического лидера, адекватного образа космического будущего страны (а не будущего космической отрасли!) и политической воли для его создания и достижения. В стране не созданы условия и стимулы для активного развития космической деятельности всех акторов в целях реализации космического потенциала граждан, организаций, всего нашего общества в национальных интересах и для эффективного международного сотрудничества» (см. «НГ-наука» от 23.09.20).
Ростов-на-Дону
Статья подготовлена на основе публикаций в научно-технических журналах в 2011 и 2018 годах, докладов на межотраслевом семинаре аналитического центра Роскосмоса и заседании рабочей группы SpaceNet в 2018 году, по материалам заявки в рабочую группу SpaceNet НТИ от 9 августа 2020 года.
Источник: