Путешествие в космос - Авиационно-космические системы США - Разработка перспективных технологий (Часть 6)

Разработка перспективных технологий (Часть 6)

Аналогичные исследования ведет и Управление DARPA. В начале 2002 г. оно приступило к НИОКР по транспортной системе Rascal («Responsive Access Small Cargo Affordable Launch»), которая предназначается для оперативного запуска спутников массой 75—100 кг. Новое средство выведения планируется комплектовать многоразовой первой ступенью самолетного типа и двумя одноразовыми ракетными блоками.

Реализация программы Rascal, являющейся, по мнению зарубежных обозревателей, своеобразной прелюдией к созданию модели системы «HyperSoar», разбита на следующие этапы. В ходе первого из них, который длился практически весь 2002 г., проводилась общая оценка реализуемости проекта. В этих работах участвовало шесть промышленных компаний: «Coleman Research», «Northrop Grumman Unmanned Systems», «Space Launch», «Space Access», «Delta Velocity» и «Pioneer Rocketplane»; с каждой из них были заключены контракты стоимостью в 1—2 млн долл.

Затем Управление DARPA планировало продолжить работы с двумя подрядчиками по контрактам стоимостью 10—12 млн долл. каждый. Однако весной 2003 г. было решено ограничиться проработкой одного варианта ТКС, предложенного фирмой «Space Launch». Продолжительрость работ второго этапа программы, общая стоимость которой оценивается в 88 млн долл., составит 18 месяцев, и в конце 2004 г. Управление планировало принять окончательное решение о создании летного образца системы и проведении в 2006 г. двух испытательных пусков.

Для пилотируемой системы Rascal предусматривается примерно та же схема эксплуатации, что и для вышеописанного истребителя F-15E. Однако за счет использования более мощной первой ступени отделение одноразовой РН с полезным грузом будет производиться за пределами атмосферы — на высоте около 60 км.

Подобные возможности планируется обеспечить за счет применения на крылатой ступени модернизированных ТРДД с системой охлаждения MIPCC (Mass Injection Pre-Compressor Cooling). Данная система предполагает инжекторный впрыск вспомогательного рабочего тела (воды, жидкого воздуха или кислорода) в двигательный тракт перед компрессором. Подача такого хладагента не только позволит существенно снизить температуру горячей части ТРДД, но и повысит плотность воздушной смеси, что чрезвычайно важно при полете в разреженной атмосфере; при этом тяговые характеристики двигателя могут быть увеличены в 2—3 раза.

^{Транспортная система Rascal}

с системой охлаждения MIPCC (Mass Injection Pre-Compressor Cooling). Данная система предполагает инжекторный впрыск вспомогательного рабочего тела (воды, жидкого воздуха или кислорода) в двигательный тракт перед компрессором. Подача такого хладагента не только позволит существенно снизить температуру горячей части ТРДД, но и повысит плотность воздушной смеси, что чрезвычайно важно при полете в разреженной атмосфере; при этом тяговые характеристики двигателя могут быть увеличены в 2—3 раза.

Разрабатываемый компанией «Space Launch» самолет-раз-гонщик, получивший обозначение MPV («MlPCC-Powered Vehicle» — «Аппарат с охлаждаемыми двигателями»), представляет собой низкоплан, построенный по схеме «бесхвост-ка» с треугольным крылом переменной стреловидности. Планер проектируется фирмой «Scaled Composites», в его конструкции будут преобладать композиционные материалы с абляционной теплозащитой, а отдельные термонагруженные элементы намечается изготавливать из титана и стали.

В целях снижения эксплуатационных затрат (за счет отказа от обтекателя для космического аппарата) и улучшения аэродинамических характеристик было предложено монтаж ракеты производить внутри самолета-разгонщика. По предварительным расчетам, отсек полезного груза системы будет иметь длину 3 м, а диаметр 1,2 м.

При длине 27,1 м и размахе крыла 24,7 м взлетная масса системы Rascal составит 36,3 т. Силовая установка самолета комплектуется четырьмя усовершенствованными турбовентиляторными двигателями серии F100 фирмы «Pratt and Whitney». Использование на этих ТРДДФ системы MIPCC потребует существенного (30—50%-ного) увеличения площади входного сечения воздухозаборниов. Тем не менее модифицированная силовая установка обеспечит тяговооруженность системы, близкую к значению 2:1.

Самолет MPV рассчитывается на взлет с аэродромной полосы длиной 1,5 км. Достигнув высоты 19 км, он перейдет в горизонтальный полет для выверки курса и времени запуска ракеты (период барражирования составить около 30 мин). Затем аппарат начнет в форсажном режиме выполнять «горку» с разгоном до скорости М = 3—4 на высоте 36 км, после чего силовая установка будет отключена и изделие продолжит подъем в свободном полете.

Отделение РН с полезным грузом должно производиться при приближении к апогею траектории на высоте 58—60 км и при скорости М=1,2. После входа в атмосферу самолет с включенными двигателями вернется в месту старта. Зона действия системы Rascal ограничивается радиусом 450 км.

Доставку полезного груза на околоземную орбиту обеспечит двухступенчатая ракета-носитель ERV (Expendable Rocket Vehicle) со стартовой массой 7,3 т. Данное изделие представляет собой сборку гибридного двигателя (первая ступень), второй твердотопливной ступени и блока довыведения с двигателями малой тяги и системой управления.

Энергетические характеристики системы Rascal, предложенной фирмой «Space Launch», позволят доставлять на солнечно-синхронную орбиту высотой 500 км спутники массой 115 кг, а на такую же по высоте орбиту с наклонением 28,5° грузы массой 180 кг. При этом также рассматриваются возможности использования системы для выведения грузов на баллистические траектории. В этом случае система сможет забрасывать на расстояние 4500 км нагрузку массой около 900 кг (здесь необходимо отметить соответствие грузоподъемности системы массе крылатого аппарата CAV).

Среди других показателей транспортной системы Rascal в печати отмечаются следующие: стоимость запуска не должна превышать 750 тыс. долл., период послеполетного обслуживания определен в 24 ч, а оперативность проведения старта в 1 ч.

Исследования концепции Rascal, вероятно, были инициированы работами ВВС по созданию соответствующей силовой установки. В 2001 г. Лаборатория AFRL провела оценку эффективности применения воздушно-реактивного двигателя «SteamJet», спроектированного фирмой «MSE Technology Applications».

Данная установка представляет собой обычный ВРД с инжектором, обеспечивающим впрыск воды в воздушный канал воздухозаборника. Подача газифицированного в теплообменнике компонента позволяет повысить эффективность работы компрессора, а также снизить температуру торможения.

Компьютерное моделирование работы двигателя «SteamJet» показало стабильность характеристик изделия от момента взлета до скорости М=6, при этом расход топлива оказался несколько меньшим, чем у турбопрямоточного двигателя, а тяговооруженность на уровне ПВРД.

По мнению разработчиков, диапазон применения такого двигателя весьма широк: от крылатых ракет и гиперзвуковых экспериментальных аппаратов до самолетов-разгонщиков ра-кетнокосмических систем.

Весьма привлекательными для применения в различных ТКС считаются гибридные ракетные двигатели, работающие на разнофазных компонентах топлива (обычно твердом горючем и жидком окислителе). Незначительные затраты на производство и эксплуатацию таких силовых установок объясняются простотой конструкции и использованием распространенных компонентов топлива (например, жидкого кислорода и полибутадиена).

Твердотопливный заряд горючего помещается непосредственно в камере сгорания двигателя, запуск которого осуществляется за счет нагрева заряда до температуры воспламенения при подаче окислителя. Процесс горения регулируется расходом окислителя, а останов изделия происходит при прекращении его подачи этого компонента. Поэтому единственным подвижным элементом такой установки является главный клапан окислителя.

В начале 1990-х годов разработкой гибридных двигателей активно занималась компания «American Rocket» (Amroc), имевшая цель создание целого семейства высотных ракет и ракет-носителей легкого класса. В 1994 г. при поддержке ВВС и NASA эта компания успешно провела стендовые испытания двигателя тягой 110 т. Тем не менее финансовые проблемы привели к банкротству компании.

Большая часть документации по освоенным технологиям была приобретена фирмой «SpaceDev» (Сан-Диего, шт. Калифорния), которая продолжила работы по данной тематике. Однако масштаб проектов и размерность силовых установок были существенно уменьшены — своей первоочередной задачей фирма определила создание двигателей малой тяги для космических аппаратов. К 2001 г. фирмой «SpaceDev» было спроектировано несколько гибридных двигателей тягой от 25 кг до 100 кг; в качестве горючего в них применяется плексиглас, а окислителем является закись азота, которая может находиться как в жидком, так и газообразном состояний (за счет этого наддув бака происходит автоматически при газификации самого компонента).

Новые двигатели, рассчитанные на многократные включения, стали основным элементом универсального межорбитального буксира Manoeuvring and Transfer Vehicle (MTV, —- иногда встречается сокращение MATV), который фирма «SpaceDev» планирует также применять в качестве типовой спутниковой платформы с собственной силовой установкой. В зависимости от мощности используемого двигателя масса целевого оборудования аппарата MTV может составить 50—300 кг.

По заказу Национального разведывательного управления NRO фирма «SpaceDev» провела исследования по проектному облику и целевой эффективности легкого многофункционального аппарата SPOTV (Secondary Payload Orbital Transfer Vehicle), предназначенного для инспектирования, обслуживания и транспортировки космических объектов, включая их торможение при сходе с орбиты. Среди основных требований, которые предъявлены к аппаратам SPOTV, называются непродолжительный период предполетной подготовки для их оперативного запуска в качестве попутного груза на различных РН, а также возможность длительного пребывания в космосе в состоянии эксплуатационной готовности. Общая стоимость контрактов, полученных фирмой по данной теме, превысила 400 тыс. долл.

Работы компании «SpaceDev» по средствам межорбитальной транспортировки получили дальнейшее развитие весной 2003 г. после получения от Лаборатории AFRL заказа на создание разгонного блока с гибридным двигателем для запуска малых спутников с борта МТКС «Спейс Шаттл». Согласно условиям двухлетнего контракта стоимостью 1,4 млн долл. фирма должна изготовить демонстрационный образец изделия, соответствующего требованиям безопасности экипажа корабля. Кроме того, соглашением также предусматривается возможность увеличения объема работ до 2,4 млн долл.

Наиболее крупным из реализованных фирмой «SpaceDev» проектов стала разработка двигателя тягой 6,8—8,2 т для пилотируемого ракетоплана «SpaceShipOne», успешно осуществившем в 2004 г. серию суборбитальных полетов на высоты 100— 112 км (об этом аппарате, созданным компанией «Scaled Composites», см. в Части 3).

По контракту с ВВС фирма «SpaceDev» ведет НИОКР по четырехступенчатой ракете-носителю Streaker, рассчитанной на выведение на низкую орбиту грузов массой 450 кг. Среди немногочисленных сведений о новой ТКС в печати сообщается, что она комплектуется однотипными ракетными блоками на гибридном топливе; для второй ступени изготовляется несколько увеличенный аналог двигателя корабля «SpaceShip-Опе» с массой топлива 1,8 т, осенью 2004 г. на его разработку ВВС перечислили подрядчику 1,5 млн долл.

В перспективе компания «SpaceDev» планирует создать собственный крылатый аппарат для суборбитальных пилотируемых полетов. В качестве образца взят гиперзвуковой ракетоплан Х-34, изготовленный корпорацией «Orbital Sciences» для NASA (этот проект описан в Части 2). В соответствии с подписанным с Центром Эймса соглашением о техническом сотрудничестве и консультировании работ компания должна получить от NASA все необходимые данные по гиперзвуковой аэродинамике этого уже прошедшего сертификацию изделия.

В отличие от прототипа, предполагавшего запуск с само-лета-носителя, новый аппарат, названный «Dream Chaser» («Стремящейся к мечте»), будет стартовать вертикально с наземной пусковой площадки, что считается дешевле и надежнее. На нем предполагается использовать создаваемый по заказу ВВС (возможно, для раКеты Streaker) гибридный двигатель тягой 45,3 т, который позволит совершать полеты на высоту до 160 км.

Среди возможных задач ракетоплана «Dream Chaser», летные испытания которого могут начаться в 2008 г., называются отработка перспективных технологий для правительственных организаций, что не удалось реализовать при проекте Х-34, а также космический туризм (вместительность аппарата составит 3—5 человек).

<<<Назад Страница 25 Далее>>>

WalkInSpace.Ru

Правила:

«Путешествие в космос» © 2024

Использование материалов допускается при условии указания авторства WalkInSpace.ru и активной ссылки на www.WalkInSpace.ru.

Используются технологии uCoz