Главная Pentagonus Регистрация

Вход




Приветствую Вас Гость | RSS Вторник, 06.12.2016, 17:08
Ключевые слова
А. Косолобов, Пегас-XL, НАСА, Минотавр-1, Космическое командование, космос, Дельта-2, Таурус-2110, Дельта-4М+, Дельта-4М

Ключевой партнёр
Академия военных наук РФ
Академия военных наук РФ

Категории каталога
Структура [133]
Боевые операции [55]
Личный состав, подготовка [90]
НИОКР [181]
Вооружение [211]
Техническое обеспечение [178]
Стратегия и тактика [120]
Форма, знаки различия, награды [6]
ТТХ [13]

Поиск


Наш опрос
Who is more wise President of the United States?
Всего ответов: 405
Статистика

Rambler's Top100

Онлайн всего: 12
Гостей: 12
Пользователей: 0

Top secret


Translate.Ru PROMT©
Главная » Статьи » ВВС (Военно-воздушные силы) » НИОКР

Перспективы развития транспортных космических средств США (2009)

Перспективы развития транспортных космических средств США

А. Косолобов

Транспортные космические средства (ТКС) являются неотъемлемой частью космического вооружения. Любой космический аппарат (КА) не может быть спроектирован и введен в эксплуатацию без учета особенностей ТКС. И естественно, что пути развития ТКС и КА тесно связаны друг с другом. Области применения космических аппаратов постоянно расширяются, что влечет за собой рост количества их группировок на орбите и, как следствие, увеличение темпов освоения околоземного пространства. В результате возрастают и требования, предъявляемые к ТКС. В настоящее время и в обозримом будущем сохранится тенденция к снижению стоимости выведения на орбиту килограмма полезной нагрузки (ПН) и сокращению времени, необходимого для подготовки ТКС к запуску.

Направления развития ТКС в США определяются положениями закона «О национальной политике в области космоса», директивными документами президента и МО США. Директивные документы предусматривают разграничение полномочий между МО, отвечающим за разработку, развитие, эксплуатацию ТКС и за соблюдение требований национальной безопасности, и НАСА, ориентированного на поддержку коммерческого сектора и оценку экономической эффективности и опытно-конструктивные разработки перспективных ТКС. Стратегическая политика США в области космоса направлена на кооперацию НАСА с МО в целях реализации пилотируемых полетов на Луну и к Марсу.

Согласно классификации, принятой в США, ракеты-носители (РН) подразделяются на четыре класса: легкий (грузоподъемность до 2,3 т), средний (2,3-5,5 т), переходной (5,5-11,4 т) и тяжелый (свыше 11,4 т). Под грузоподъемностью понимается масса ПГ, выводимого ракетой-носителем на низкую околоземную орбиту (НОО) высотой около 400 км. Следует отметить, что на возможности РН того или иного класса по доставке полезного груза заданной массы влияет и наклонение орбиты.

В настоящее время основная нагрузка транспортного обеспечения космических проектов США возлагается на два семейства одноразовых ракет-носителей, разработанных в рамках программы МО США по модернизации средств выведения КА военного назначения EELV (Evolved Expendable Launch Vehicle). Это «Атлас-5» и «Дельта-4». Помимо них используются РН легкого класса «Минотавр», «Пегас», «Таурус», а также РН среднего класса «Дельта-2». РН США позволяют производить запуски ПН массой до 25 т на НОО по всему азимуту (см. таблицу).

РН «Дельта-2» эксплуатируется с 1988 года и применяется для запуска космических аппаратов КРНС NAVSTAR, а также для обеспечения программы научных исследований НАСА. В перспективе руководство МО США и НАСА планируют заменить ее на РН EELV, но окончательные сроки пока не пределены. Считается, что полная замена РН «Дельта-2» на РН семейств EELV произойдет после того, как будут выполнены имеющиеся текущие заказы на РН «Дельта-2».

РН легкого класса «Минотавр», «Пегас» и «Таурус» были разработаны в 1990-х годах в рамках программы SSLV (Small Space Launch Vehicle) управления перспективных разработок и исследований МО США (ДАРПА), их сборка и эксплуатация осуществляются фирмой «Орбитал сайенсиз» (Orbital Sciences Corporation). Правительство США активно использует эти РН для запуска экспериментальных малогабаритных космических аппаратов военного назначения, предназначенных для отработки перспективных технологий. Ракеты-носители «Минотавр-1» и «Пегас-XL» могут запускаться от четырех до шести раз в год каждая и выводить на НОО ПН массой 600 и 450 кг соответственно. РН «Таурус-2110» выводит на НОО полезный груз массой около 1 300 кг, требует минимум наземной инфраструктуры, как и РН «Минотавр». РН «Пегас» запускается с самолета L-1011 фирмы «Локхид-Мар-тин», что также не требует существенных доработок наземной инфраструктуры. На сегодняшний день РН фирмы «Орбитал сайенсиз» отвечают всем требованиям, предъявляемым в США к ракетам легкого класса.

В начале 90-х годов прошлого столетия возросли требования, предъявляемые к ТКС государственным и частным секторами. Необходимо было снизить стоимость выведения ПН, повысить надежность и точность выведения ПН в заданную область космического пространства, а также сократить время подготовки ТКС к запуску.

Грузоподъемность существующих и перспективных ракет-носителей.
Наименование РН Разработчик Масса ПН, выводимой на НОО.т

Существующие РН

«Пегас-XL» «Орбитал» 0,45
«Минотавр-1»  «Орбитал» 0,6
«Таурус-2110» «Орбитал» 1,3
«Дельта-2»  «Боинг» 5,1
«Дельта-4М» «Боинг» 8,6
«Атлас-5(400)» «Локхид -Мартин»  12,5
«Дельта-4М+» «Боинг» 18
«Атлас-5(500)» «Локхид-Мартин» 20,5
«Дельта-4Н» «Боинг» 25,8
Перспективные РН
«Фалкон-1» «СпейсХ» 0,67
«Арес-1» НАСА 26
«Дельта-4Н+» «Боинг» 40
«Атлас-5Н+» «Локхид-Мартин» 74
«Сайд Маунт» НАСА 77
«Арес-5» НАСА 100
«Атлас-SH» «Локхид-Мартин» 130
«Дельта-SH» «Боинг» 150

В 1995 году вступила в силу программа МО США по разработке новых РН - EELV. При финансовой поддержке правительства и коммерческого сектора в рамках этой программы были разработаны два семейства двухступенчатых РН - «Дельта-4» и «Атлас-5» (соответственно фирм «Боинг» и «Локхид-Мартин»).

Первая ступень РН «Дельта-4» оснащена жидкостным ракетным двигателем (ЖРД) RS-68, имеющим высокие технические характеристики при относительной простоте конструкции и приемлемых условиях эксплуатации. Для второй ступени используется криогенный ЖРД RL-10B-2, рассчитанный на два повторных включения во время полета, что обусловлено схемой выведения ПН на высокие орбиты (рис. 1). Для обеспечения безопасности ПН после отделения верхняя ступень снабжена системой маневра увода. Все РН семейства «Дельта-4» имеют одинаковые усовершенствованные бортовые и наземные элементы системы управления запуском и полетом.

При создании семейства ракет-носителей «Атлас-5» специалисты фирмы «Локхид-Мартин» заложили в основу силовую конструкцию корпуса РН «Титан» и использовали хорошо зарекомендовавшую себя двигательную установку РД-180 российского производства, работающую на жидком кислороде и жидком углеводороде (керосине, рис. 2). В РН «Атлас-5» были применены конструкции переходных отсеков, выполненные из композиционных материалов, что позволило снизить массу и стоимость ТКС. Для решения задач по запуску КА с различными массогабаритными характеристиками семейство ракет-носителей «Атлас-5» имеет несколько типов обтекателей с одинаковыми стыковочными узлами. У РН «Атлас-5» 400-й серии обтекатель ПН диаметром 4 м, а у РН «Атлас-5» 500-й серии - увеличенный обтекатель диаметром 5 м.

РН, разработанные по программе EELV, способны выводить на низкую орбиту ПН массой до 22,5 т, а на геостационарную - до 6 т. Накоплен большой опыт по выводу ПН в космос с использованием РН обоих семейств. Правительство США намерено продолжать работу в рамках данной программы до 2025 года. Основные варианты развития РН «Дельта-4» и РН «Атлас-5» представлены на рис. 3 и 4 соответственно. Планами американского руководства в 2010 году предусмотрен вывод из эксплуатации многоразовой транспортной космической системы (МТКС) «Спейс Шаттл» (Space Shuttle) - единственной транспортной системы в стране, обеспечивающей доставку экипажей на орбиту. В связи с этим США необходимо новое транспортное средство как для вывода экипажа на орбиту МКС, так и для программы освоения Луны. В качестве альтернативы предлагается космический корабль (КК) «Орион», разрабатываемый в рамках программы CEV (Crew Exploration Vehicle, рис. 5).

Для вывода КК «Орион» в космос рассматриваются РН «Дельта-4М+», «Ат-лас-5М+» и «Арес-1».

РН «Дельта-4М+» создается на базе РН «Дельта-4М» и компонуется увеличенными первой и второй ступенями. К первой ступени будут добавлены твердотопливные стартовые ускорители, а вторую оснастят двумя дополнительными двигателями RL-10. Эта ракета-носитель будет способна выводить на НОО ПН массой 18 т.

Модификация «Атлас-5М+» разрабатывается на основе «Атлас-5» и так же предназначена для вывода в космос КК «Орион». РН этой модификации отличается увеличенной первой ступенью с установкой на нее двух двигателей РД-180 и усовершенствованной второй ступенью с четырьмя двигателями RL-10 для обеспечения вывода на НОО ПН массой около 24 т (вместо 20,5 т модификации «Атлас-5» 500-й серии).

Ракету-носитель «Арес-1» для вывода в космос КК «Орион» планируется оснастить двумя ступенями (рис. 6). Первая представляет собой удлиненный твердотопливный ускоритель МТКС «Спейс Шаттл», а на второй намечается установить ЖРД J-2S. Двухступенчатая РН «Арес-1» будет способна выводить на НОО ПН массой 26 т.

Для реализации плана США по осуществлению пилотируемых полетов на Луну до 2020 года и по обеспечению пилотируемого полета к Марсу необходимо создание ТКС, способного вывести на НОО ПН массой свыше 100 т. Сегодня в стране имеются две точки зрения на эту проблему:
- использование модификаций РН тяжелого класса для модульного вывода полезного груза, необходимого для пилотируемого полета к Луне и к Марсу, за счет нескольких запусков;
- развитие ТКС сверхтяжелого класса (РН грузоподъемностью свыше 100 т) для разового вывода ПН по программе освоения Луны на НОО.

В настоящий момент правительство США рассматривает несколько проектов, суть которых заключается в создании одноразовых носителей на базе существующих ТКС. Часть из них предполагает разработку модификаций РН семейств «Дельта-4» и «Атлас-5», а остальные проекты - новых РН «Арес-1» и «Арес-5» с использованием элементов МТКС «Спейс Шаттл» и старой РН «Сатурн-5», специально разработанной для программы исследования Луны в 1960-х годах (рис. 7).

В случае принятия решения в пользу вывода ПН для лунной программы частями, с последующей стыковкой выводимых модулей на орбите, рассматриваются модификации РН «Дельта-4Н+», «Атлас-5Н+» и «Сайд-Маунт» (Side-Mount).

РН «Дельта-4Н+» будет компоноваться блоками и двигателями, применяемыми на других модификациях этого семейства ракет-носителей. Новая ракета будет способна выводить полезный груз на низкую околоземную орбиту массой около 40 т.

РН «Атлас-5Н+», в свою очередь, планируется собрать из элементов, используемых фирмой «Локхид-Мартин» в конструкциях своих ракет-носителей. Она сможет выводить на НОО полезный груз массой около 74 т.

Вариант транспортного космического средства РН «Сайд-Маунт» практически полностью повторяет схему МТКС «Спейс Шаттл», но на орбиту вместо космического корабля «Шаттл» будет выводиться одноразовая ступень с ПН, оборудованная тремя ЖРД SSME (основной ЖРД «Шаттла»). ТКС «Сайд Маунт» будет способно, по расчетам разработчиков, выводить на НОО полезный груз массой около 77 т.

В случае если для лунной программы будет решено использовать ТКС, способное вывести на орбиту полезный груз по лунной программе за один раз, то будут разрабатываться варианты проектов сверхтяжелых РН.

«Атлас-SH» (Super Heavy) - это двухступенчатая РН с четырьмя дополнительными ускорителями, каждый из которых оборудуется двумя ЖРД РД-180. Основной блок первой ступени (8,4 м в диаметре) оснащается пятью ЖРД РД-180. Вторая ступень будет иметь увеличенный обтекатель полезного груза по сравнению с вариантом РН «Атлас-5Н+». По расчетам американских специалистов, такая РН будет способна выводить на НОО ПН массой около 130 т.

РН «Дельта-SH» планируется компоновать доработанными под требуемые характеристики ступенями модификации «Дельта-4Н», и в качестве двигательной установки второй ступени будет применяться модернизированный ЖРД SSME. Согласно расчетам, масса всей РН «Дельта-SH» в 2,5 раза будет превосходить базовую версию модификации «Дельта-4Н» и станет существенно габаритнее, что выводит ее на первое место среди представленных проектов ТКС по этим параметрам. Ракета-носитель «Дельта-SH» сможет доставлять на НОО ПН массой около 150 т, что соответствует шести запускам модификации «Дельта-4Н».

Последним проектом является разработка сверхтяжелого варианта ракеты-носителя «Арес-5» на базе элементов МТКС «Спейс Шаттл» и РН «Сатурн-5» для вывода ПН массой свыше 100 т. РН «Арес-5» компонуется по классической схеме, то есть имеет одноблочную ступень со стартовыми ускорителями. Основным блоком единственной ступени является удлиненный внешний топливный бак МТКК «Спейс Шаттл», модернизированный под установку на него пяти ЖРД RS-68. На основной блок крепятся два удлиненных твердотопливных ускорителя с МТКК «Спейс Шаттл». Вывод ПН до НОО после отработки первой ступени будет осуществляться с помощью двигателя самого полезного груза. Этот же двигатель будет вторично запущен для дальнейшего полета до Луны.

У каждого проекта есть свои преимущества и недостатки, связанные с соответствием требованиям НАСА к запуску КК «Орион», с вопросами к наземной инфраструктуре и т. п. В настоящий момент руководство США находится в стадии анализа каждого проекта и выбора окончательного варианта.

Кроме этого, в рамках совместной программы ВВС США и ДАРПА Operationally Responsive Space (ORS) разрабатывается концепция оперативного вывода малых ПГ по требованию. В ходе этой программы был инициирован проект FALCON (Force Application and Launch from the CONti-nental US). Цель проекта заключалась в разработке ТКС для оперативного развертывания группировки алых КА военного назначения (массой до 500 кг) на орбитах высотой около 180 км. Это продиктовано необходимостью увеличения эффективности функционирования штатной космической группировки на время подготовки и ведения боевых действий.

В результате проекта фирмой «Спейс Икс» (SpaceX) была разработана РН легкого весового класса «Фалкон-1», способная выводить на НОО ПН массой до 670 кг (рис. 8). Первые запуски РН оказались неудачными из-за проблем, связанных с ДУ. 28 сентября 2008 года РН «Фалкон-1» была успешно запущена и вывела ПГ в заданную область орбиты. Необходимо отметить, что фирма «СпейсИкс» разрабатывает семейство РН «Фалкон», в которое входят также РН «Фалкон-5» и «Фалкон-9», способные выводить на НОО ПГ массой 4-24,5 т, и на ГПО ПГ массой 1-9,5 т.

На сегодняшний день целевых программ по развертыванию космической группировки на базе малых КА нет, и в ближайшие годы они не появятся. Технологические проблемы, связанные с разработкой малых КА, по оценкам зарубежных экспертов, являются более сложными, чем задачи создания под них ракет-носителей. К тому же требования к таким РН еще окончательно не сформулированы, а под те, что уже выдвинуты, можно эксплуатировать существующие РН.

Однако эксперименты и исследования, проводимые ВВС США и ДАРПА в рамках программы ORS, отвечают вопросам национальной политики в области транспортировки ПН в космос. Правительство США, скорее всего, будет продолжать эксперименты и демонстрации ORS, но полномасштабная разработка не должна опережать развитие ПН и инфраструктуры. Ввод в эксплуатацию систем, создаваемых в рамках этой программы, ожидается после 2015 года.

Перспективы развития многоразовых средств. «Спейс Шаттл» является единственной многоразовой транспортной системой и единственным транспортным средством в США, способным выводить на орбиту людей. На сегодняшний день НАСА располагает тремя МТКК: «Дис-кавери», «Атлантис» и «Эндевор». Сроки действия программы «Спейс Шаттл» пересматривались в последние годы несколько раз, и в связи с проблемами этой системы было принято решение не использовать ее после 2010 года. Ввод в эксплуатацию альтернативной МТКС до 2025 года не планируется.

В период до 2006 года в рамках программы ORS разрабатывался проект ARES (Af-fordable Responsive Spacelift), впоследствии закрытый, в ходе которого корпорация «Рокетплайн» (Rocketplane Limited) развивала концепцию гибридного ТКС. Характерной особенностью этого проекта являлось применение уже существующих технологий, разработанных в предшествующих программах по созданию как многоразовых, так и одноразовых ТКС. Данный подход позволил избежать больших трудозатрат, как в случае разработки принципиально нового ТКС. Перспективное ТКС нового поколения «Арес-ОС» планировалось создать на базе суборбитального ЛА XR
Данный ЛА построен по аэродинамической схеме «бесхвостка» и оснащен двумя типами двигателей: воздушно-реактивным и жидкостным ракетным. Управление аппаратом производит экипаж. Взлет и посадка осуществляются по-самолетному. Схема полета аппарата включает следующие этапы: горизонтальный взлет; набор высоты; запуск на короткое время ракетного двигателя на высоте свыше 30 км, после чего ЛА движется по инерции по баллистической траектории, достигая предельной высоты 100 км; спуск и посадка.

ЛА ХР необходим для проведения общих технических и программных испытаний, а также отработки процессов обслуживания и проверки систем конструкции, в частности, для оценки систем управления аппаратом и конструкции с применением новых жаропрочных материалов. Целями испытаний ЛА ХР являются: разработка стратегии и методов обслуживания для сокращения стоимости ЛА и времени восстановления после полета; создание модулей для систем навигации и управления ЛА на этапах взлета, полета и посадки в автономном режиме. Новые модули будут добавлены к существующим модулям Л А ХР на заключительной стадии испытаний с использованием этого аппарата. После проведения этих испытаний планируется строительство нового аппарата -«Арес-ОС», который в дальнейшем, возможно, будет принят на вооружение. Отличительные черты ТКС «Арес-ОС»:
- малый набор подсистем многоразового пользования;
- низкая стоимость одноразовых систем;
- небольшой штат обслуживающего персонала;
- упрощенная эксплуатация с применением авиационных технологий;
- адаптация существующего оборудования для испытаний и эксплуатации нового ТКС;
- нетоксичность топлива ракетного двигателя;
- наличие унифицированных подсистем. Аппарат «Арес-ОС» представляет собой модульное гибридное ТКС, состоящее из многоразовой ступени (планера) с унифицированными подсистемами и одноразовой верхней ступени (рис. 9). Его конструкция позволит производить вертикальный старт и горизонтальную посадку. Отстыковку верхней ступени от аппарата планируется осуществлять на высоте не более 60 км при скорости полета около 7 000 км/ч, что позволяет снизить тепловые нагрузки на ТКС.

«Арес-ОС» намечается оснащать ракетным двигателем типа RS-84, работающим на жидком кислороде и метане, и двумя воздушно-реактивными двигателями (ВРД) фирмы «Пратт энд Уитни» F-100. Все двигатели должны работать во время вертикального старта, а возврат будет осуществляться с помощью двух ВРД. Топливо ЖРД не токсично, что существенно облегчает эксплуатацию аппарата.

Конструкция планера состоит из фюзеляжа типа полумонокок со встроенным топливным баком с двойной усиленной перегородкой, которая разделяет топливо с окислителем. Обшивка топливного бака имеет внутреннюю несущую конструкцию, усиленную внешними титановыми стрингерами и шпангоутной рамой.

Основные ТТХ ТКС «АРЕС-ОС»
Общая взлетная масса, т 349
Посадочная масса, т 36,3
Тяга ракетного двигателя, тс 544,3
Тяга воздушно-реактивных двигателей, тс 7,2
Скорость отстыковки верхней ступени с ПН, М 7
Высота отстыковки верхней ступени с ПН, км 60
Масса ПН, выводимого на Н00, т 6,8
Время восстановления аппарата, ч 24

Поверхность аппарата имеет металлическое теплоизоляционное покрытие из жаропрочного сплава на никелевой основе и титана. Сплав на никелевой основе будет применяться на поверхностях, нагревающихся до температуры свыше 760°С, а титан - в местах нагрева, не превышающего указанного уровня. Теплоизоляционное покрытие представляет собой мозаику из ромбовидных пластин. Применение такого способа изоляции позволяет обеспечить доступ к любой части поверхности этого ТКС для его обслуживания и замены поврежденных пластин, не нарушая всего слоя, что значительно сократит время восстановления аппарата между стартами.

Большинство наземных операций по обслуживанию этого аппарата планируется производить с помощью стандартного оборудования, используемого в военной авиации. Строительство стартовых комплексов не требует больших финансовых затрат и длительного времени. Запуск ТКС «Арес-ОС» намечается осуществить на АвБ Эдварде. По оценкам американских специалистов, он будет в 6 раз дешевле, чем запуск ракет-носителей, разработанных по программе EELV для доставки на орбиту такого же по массе полезного груза.

Схема цикла эксплуатации ТКС «Арес-ОС» включает в себя шесть этапов: работы по подготовке верхней ступени с ПН; подготовка планера и установка на него верхней ступени; установка ТКС на стартовый комплекс; загрузка топливом и старт; возвращение на базу; посадка на базе.

Отсутствие конкретных предложений по обоснованию инвестирования в НИОКР по созданию новых технологий для развития ТКС привело к существенному сокращению количества соответствующих программ.

На сегодняшний день США имеют ряд недостаточно профинансированных программ, а порой и полное отсутствие программ, связанных с исследованиями и созданием технологий для следующих поколений РН и МТКС. В частности, это касается исследований, связанных с разработкой двигателей нового поколения как для РН, так и для МТКС. Правительство США полагает, что для обеспечения национальной безопасности в области освоения космоса до 2020 года могут быть использованы существующие технологии. Такой взгляд американского руководства, по мнению специалистов, ведет к снижению уровня технических навыков, утрате исследовательской инфраструктуры в области космических запусков, сокращению промышленной базы (особенно в сфере разработок и исследований), зависимости индустрии от иностранных технологий, разработанных в европейских странах и России (двигатели, высокотемпературные материалы, некоторые компоненты электроники, и т. д.), и существенно влияет на возможности США по развитию ТКС в целом.

В связи с этим можно предположить, что разработка и принятие в эксплуатацию МТКС нового поколения до 2025 года не представляются возможными.

Таким образом, анализ планов космической деятельности, уровня финансирования и программ разработки ТКС в США позволяет сформулировать следующие основные направления их развития.

В США в период до 2025 года планируется модернизация существующих семейств РН переходного и тяжелого весовых классов «Атлас-5» и «Дельта-4» в рамках программы EELV.

В 2010 году намечен вывод из эксплуатации МТКК «Спейс Шаттл». Обслуживание МКС продолжит новый КК «Орион», который, вероятно, будет введен в эксплуатацию в 2010-2012 годах. На базе элементов МТКК «Спейс Шаттл» после 2010 года ожидается появление новой РН- «Арес-1», предназначенной для вывода на орбиту КК «Орион» с экипажем на борту, а затем после 2018-го - РН «Арес-5» для вывода на НОО ПН массой свыше 100 т.

В рамках программы создания новых ТКС легкого класса разрабатывается РН «Фалкон-1», способная выводить на НОО ПНмассой до 670 кг. Широкое применение этой РН станет возможным после 2015 года.
Основными средствами выведения ПН в космос в период до 2025 года останутся одноразовые носители. Применение МТКС нового поколения для этих целей до 2025 года не ожидается.

Рис. 8. РН «Фалкон-1»
Рис. 9. Гибридное ТКС «Арес»

Зарубежное военное обозрение №3 2009 С.48-55

Категория: НИОКР | Добавил: pentagonus (21.04.2009) | Автор: А. Косолобов

Просмотров: 5492 | Рейтинг: 0.0/0 |
Всего комментариев: 0

avatar


Copyright MyCorp © 2016

Рейтинг Военных Ресурсов