Текст книги "Современная ракетно-космическая техника. Транспортные системы."

Launcher One (на этапе ЛКИ)

Авиационно-космическая система Launcher One

Launcher One – авиационно-космическая система, предназначенная для запуска на орбиту малых КА. Система выведения с ракетой Launcher One была впервые упомянута еще в 2008 г., а ее развернутая презентация состоялась в 2012 г., после почти четырех лет разработки. Первоначально в качестве стартовой платформы в проекте предлагался самолет-носитель WhiteKnightTwo (WK2) суборбитального туристического ракетоплана SpaceShipTwo (SS2): в 2012 г. об этом заявила Virgin Galactic.

Ракета-носитель воздушного старта

Отделение ракеты от самолёта-носителя

Ракета-носитель на подкрыльевом пилоне самолёта

Тем не менее этот план был пересмотрен в пользу иного носителя, поскольку массо-габаритные характеристики ракеты Launcher One со временем выросли, а возможности носителя WK2 были ограничены.

В сентябре 2015 г. сетевой ресурс nasaspaceflight.com сообщил, что Virgin Galactic находится на финальном этапе выбора специально выделенного самолета для Launcher One. Компания выполнила «комплексное обследование всего рынка коммерческих самолетов», обнаружив, что Boeing 747 обладает наилучшим сочетанием стоимости, статистики и развитым потенциалом межполетного обслуживания. Преимущество нового самолета-носителя заключается в более высокой грузоподъемности, что позволяет существенно нарастить характеристики ракеты. До этого Launcher One при запуске с WK2 мог бы выводить полезную нагрузку до 100 кг на полярную или солнечно-синхронную (ССО) и 300 кг – на экваториальную орбиту примерно за 10 млн $. Переход на самолет-носитель 747—400 позволил Virgin Galactic увеличить массу, выводимую на ССО, до 300 кг, или на экваториальную орбиту – до 450 кг. И все по той же цене – 10 млн $. Кроме того, переход на Boeing 747—400 означает, что Launcher One сможет воспользоваться возможностью запуска на полярные орбиты и ССО из точки, отстоящей примерно на 80 км к западу от побережья Лос-Анджелеса, штат Калифорния,

Вид на двигатель первой ступени РН

и на таком же расстоянии от восточного побережья мыса Канаверал, штат Флорида, для экваториальных миссий.

Поднявшись с аэродрома с двумя пилотами и по меньшей мере одним оператором пуска на борту, самолёт-носитель будет в состоянии достичь района воздушного пуска ракеты – «зоны сброса» – через 30 ми– нут после взлета. Отделившись от левой консоли крыла самолета-носителя, Launcher One запустит двигатель Newton Three первой ступени, который развивает тягу 33.3 тс и работает в течение примерно трех минут на топливе «жидкий кислород – керосин». После разделения ступеней включится Newton Four верхней ступени тягой 2.27 тс. Он работает в течение почти шести минут на тех же компонентах. После этого начнется 45-минутная баллистическая пауза, по завершении которой ракета выдаст апогейный импульс, формирующий расчетную орбиту. Обе ступени Launcher One безопасно упадут в море (последняя будет сведена с орбиты), а самолет-носитель вернется в аэропорт, где может быть подготовлен к следующему полету.

Сборочный цех ракет-носителей

Launcher One позиционируется в качестве «доступного специализированного средства доставки на орбиту небольших спутников», направленного на удовлетворение потребностей коммерческих и государственных заказчиков, по цене 10 млн $. Стартовая масса ракеты-носителя оценивается в 25 т.

Транспортировка ракеты к самолёту

Военные транспортные системы

Х-37В

Посадка космоплана X-37B

Х-37В – крылатый аппарат со стартовой массой около 5000 кг, имеющий крыло двойной стреловидности, V-образное оперение и трехопорное посадочное шасси. Длина космоплана – 8.92 м, размах крыла – 4.55 м, высота – 2.90 м. В хвостовой части размещен маршевый жидкостный ракетный двигатель AR2—3 фирмы Rocketdyne с тягой около 3 тс, имеются двигатели реактивной системы управления. В орбитальном полете аппарат запитывается от развертываемой солнечной батареи и литий-ионных аккумуляторов. Грузовой отсек с двухстворчатым люком имеет длину 2.1 м при диаметре 1.2 м. Максимальная масса полезного груза, размещаемого в нем, оценивается в 500 кг. Первый испытательный орбитальный пуск состоялся 22 апреля 2010 г. на ракете Atlas V.

Х-37В с открытым грузовым отсеком

За первым полетом последовали еще четыре со все возрастающей продолжительностью. Задачи их описывались лишь в самых общих чертах – как испытания новых технологий в реальных космических условиях. В редких случаях назывались экспериментальные установки, размещенные на борту на коммерческой основе. В частности, в пятом полете они проводились

Компоновка Х-37В

Исследовательской лабораторией ВВС США. Орбитальные данные на X-37B не сообщались, но наблюдатели весьма успешно, хотя и с перерывами, отследили все пять полетов. Четыре первых проходили по орбитам с невысоким наклонением – от 38° для OTV-4 до 43.5° для OTV-3, – практически не «цепляя» территорию России, и лишь в пятый раз космоплан запустили на наклонение 54.5°. Ни один аппарат не поднимался выше 440 км, а два последних полета проходили на двух основных рабочих высотах: 315—317 км и 344—352 км.

Общий вид Х-37В

Х-37В на взлётной полосе

Phantom Express (проект)

Ракетоплан Phantom Express

Phantom Express – частично многоразовая космическая система, призванная кардинально сократить сроки и стоимость запусков на орбиту небольших КА в интересах оборонных ведомств США. Целью проекта является создание космоплана, способного выводить полезную нагрузку массой 3000—5000 фунтов (1360—2270 кг) на низкую околоземную орбиту при затратах менее 5 млн $ за один полет и частоте более десяти пусков в год. Для сравнения: к тому времени для запуска КА такого типа применялась одноразовая РН Minotaur IV компании Orbital с частотой один запуск в год по цене 55 млн $.

Беспилотный ракетоплан XS-1 должен обладать:

♦ гиперзвуковой скоростью полета, соответствующей числу Маха, большему или равному 10 (12 250 км/ч);

♦ небольшим временем межполетного обслуживания (одни сутки) с возможностью выполнения десяти пусков в течение десяти дней;

Phantom Express перед стартом

♦ способностью вывести на орбиту полезную нагрузку 4000 фунтов (1915 кг);

♦ стоимостью пуска менее 1/10 от текущих систем, то есть приблизительно 5 млн $ за полет;

♦ многоразовой первой ступенью для полета на гиперзвуковых скоростях до суборбитальной высоты в сочетании с одной или несколькими одноразовыми верхними ступенями, которые будут выводить спутник на орбиту.

После завершающей стадии отборочного процесса, Boeing Со. стала единственным подрядчиком по проекту: в фазе 2 она завершит проектные работы, изготовит крылатый аппарат и проведет наземные испытания, а в фазе 3, которая займет весь 2020 год, выполнит от 12 до 15 испытательных полетов. Космоплан, предложенный Boeing и названный Phantom Express, будет стартовать вертикально, неся «на спине» (наверху фюзеляжа) орбитальную ступень однократного использования. После разделения блоков космоплан совершит вход в атмосферу и планирующую посадку на обычный аэродром. Разгонять Phantom Express будет двигатель AR-22 фирмы Aerojet Rocketdyne,

Отделение второй ступени

созданный на основе маршевого двигателя шаттлов SSME (Space Shuttle Main Engine). Ключевым требованием программы является демонстрация возможности ежедневного полета космоплана в течение десяти дней. Соответственно, в программу наземных испытаний фазы 2 входит ежедневное включение двигателя в течение 10 дней, а на фазе 3 предусмотрены десять ежедневных полетов на скоростях, соответствующих числу М=5, а как минимум один из них – на скорости М=10. Итак, разработка суборбитального беспилотного ракетоплана XS-1 близится к завершению. По замыслу DARPA, система должна стать частичной заменой шаттлов и более дешевой альтернативой классическим ракетам.

Посадка ракетоплана

Грузовые транспортные корабли

Прогресс МС

Грузовой космический корабль Прогресс МС

«Прогресс» – серия транспортных беспилотных грузовых космических кораблей (ТГК), выводимых на орбиту с помощью ракеты-носителя «Союз». Разработана в СССР для снабжения орбитальных станций.

Разработка нового корабля на базе космического корабля «Союз» под кодом 7К-ТГ была начата в 1973 году. Первый «Прогресс» вышел на орбиту 20 января 1978 года. Разработчиком и изготовителем кораблей семейства «Прогресс» с 1970-х и по настоящее время является Ракетно-космическая корпорация «Энергия». Производство кораблей осуществляется на головном предприятии корпорации в подмосковном Королёве, а испытания и подготовка кораблей к запуску – в монтажно-испытательном корпусе (МИК) предприятия на 254-й площадке космодрома Байконур.

При проектировании были использованы бортовые системы, конструкции и агрегаты корабля «Союз». «Прогресс» имеет три основных отсека: герметичный грузовой со стыковочным агрегатом, где размещались материалы и оборудование, доставляемые на станцию; отсек компонентов дозаправки,

После стыковки с МКС

сделанный негерметичным, чтобы защитить станцию в случае утечки токсичного топлива; а также приборно-агрегатный отсек (ПАО).

Первый корабль серии, Прогресс МС-01, был запущен к МКС 21 декабря 2015 года. От предыдущей серии транспортных кораблей отличается наличием дополнительного внешнего отсека, на внешней поверхности ТГК в отсеке предполагается устанавливать по четыре пусковых контейнера, с помощью которых планируется запускать до 24 спутников стандарта CubeSat со сторонами по 10 см. Запуски будут осуществляться с помощью ракет-носителей Союз-2.1а.

Компоновка Прогресса МС

Внутри Прогресса МС

На модернизированный корабль установлена дополнительная защита от космического мусора и микрометеоритов на грузовом отсеке. Для повышения отказоустойчивости в состав стыковочного механизма и герметизации стыка были введены дублирующие электродвигатели.

Модернизации подверглись основные бортовые системы, обеспечивающие связь с наземным комплексом управления, а также отвечающие за сближение и стыковку грузового корабля: система управления движением и навигации, бортовая радиотехническая система, система стыковки и внутреннего перехода, телевизионная система.

Стыковочный узел Прогресса МС

Прогресс МС пристыкован к модулю Звезда

Бортовая радиотехническая система «Квант-В» с антенно-фидерными устройствами была заменена на новую единую командно-телеметрическую систему ЕКТС. Вместо аппаратуры сближения и стыковки «Курс-А» на новом «Прогрессе-МС» установлена система «Курс-НА».

Space Rider (проект)

Многоразовый спускаемый аппарат с несущим корпусом Space Rider

Space Rider – многоразовый орбитальный космоплан. Цель проекта Space Rider – создание доступной, независимой, многоразовой комплексной интегрированной европейской системы запуска полезных нагрузок массой до 800 кг на низкую околоземную орбиту и возвращения в автоматическом режиме во время «рутинных» миссий. Система будет включать свободно летающую орбитальную платформу, способную два месяца работать в космосе, безопасно возвращаться в атмосферу и совершать мягкую посадку с помощью управляемого парашюта-крыла на сушу.

Компоновка Space Rider

Входящий в систему многоразовый спускаемый аппарат с несущим корпусом (АНК) сможет до шести раз выходить на орбиту, а потом возвращаться на Землю для межполетного обслуживания, включающего ремонтно-восстановительные работы. Предполагается, что Space Rider будет многоразовой космической системой, предназначенной для научных экспериментов на околоземной орбите, отработки технологий повторного использования, алгоритмов спуска в атмосфере и автоматической посадки, а также возвращения полезной нагрузки на Землю для проверки и повторного тестирования. Кроме того, система сможет выполнять орбитальную проверку технологий, необходимых для ряда перспективных приложений, образовательные миссии, а также повышать конкурентоспособность европейской промышленности, прокладывая пути к коммерческим космическим сервисам.

Схема полёта

Система, запускаемая с европейского космодрома во Французской Гвиане, сможет выводиться на широкий спектр низких околоземных орбит разных высот и наклонений; она будет оставаться в космосе так долго, как того потребует полезная нагрузка, а затем совершит посадку на сушу.

Первым элементом системы будет многоразовый АНК имеющий многоцелевой грузовой отсек. В конструкции и системах аппарата планируется по максимуму использовать готовые компоненты.

Второй элемент – легкая РН Vega-C.

Третий элемент – одноразовый приборно-агрегатный отсек на базе блока AVUM (четвертой ступени РН Vega) для маневрирования в космосе и схода с орбиты. На нем также будут размещены развертываемые солнечные батареи для электроснабжения системы. Анализ системных требований (System Requirements Review) к Space Rider уже выполнен. Предварительное рассмотрение проекта (Preliminary Design Review) завершилась в 2018 г., а защита технического проекта (Detailed Design Review) – в 2019 г. В настоящее время с конечными пользователями обсуждаются и отбираются полезные нагрузки. Space Rider совершит первый испытательный полет после 2023 г. и приземлится на взлетно-посадочной полосе о-ва Санта-Мария (один из Азорских островов в Атлантическом океане).

Работа маршевого двигателя

Затем ему предстоит еще пять миссий с интервалом 6—12 месяцев между двумя последовательными полетами. В первые годы работы системы компания Arianespace примет решение о необходимом числе экземпляров этой модели, соответствующем конъюнктуре рынка. По мнению чиновников ЕКА, к 2025 г. система сможет совершать коммерческие рейсы, доставляя полезную нагрузку в космос и обратно на Землю по цене примерно 9200 $/кг. Вероятно, эксплуатацию системы будет осуществлять Arianespace, предоставляя правительственным и промышленным заказчикам возможность использовать грузовой отсек для размещения научных и технологических экспериментов.

Отделение полезной нагрузки

Тяньчжоу (на этапе ЛКИ)

Грузовой космический корабль Тяньчжоу

«Тяньчжоу» (кит. «Небесный челн») – грузовой космический корабль, разработанный силами Китайской исследовательской академии космической техники CAST с целью снабжения перспективной модульной орбитальной станции «Тяньгун». Основой для проекта «Тяньчжоу» стали космические лаборатории семейства «Тяньгун». От них грузовой корабль перенял общий облик и конструктивную схему. Переход к новому носителю CZ-7 позволил поднять в полтора раза стартовую массу изделия, причем весь прирост пошел на доставляемое топливо и размещаемые на борту грузы. Их общее количество по проекту может достигать 6500 кг при максимальной массе корабля 13 500 кг. При этом лимит вместимости грузового отсека составляет 5500 кг, а максимальная масса доставляемого топлива достигает 2100 кг. Конструктивно корабль состоит из двух цилиндрических объемов. Хвостовой, меньшего диаметра, представляет собой приборно-агрегатный отсек, однако официально именуется двигательным отсеком. Головным является

Корабль перед запуском на космодроме

грузовой отсек, который выполнен в форме цилиндра диаметром 3.35 м с передним коническим днищем и переходной конической секцией сзади. На боковых сторонах ПАО на одностепенных приводах установлены две трехсекционные солнечные батареи размахом 14.9 м. Общая длина «Тяньчжоу» – 10.6 м. На передней конической секции смонтирован модернизированный стыковочный узел андрогинно-периферийного типа с тремя внутренними направляющими лепестками. По периферии кольцевого интерфейса установлены четыре разъема для стыковки магистралей перекачки компонентов топлива – два для окислителя по левому борту и два для горючего по правому. Бортовая электросистема 811-го института (г. Шанхай) вырабатывает 2700 Вт от солнечных батарей и использует для хранения заряда литий-ионные аккумуляторные батареи (три блока по 22 аккумулятора). Напряжение бортовой сети – 100 В. На зенитной стороне ПАО установлены два звездных датчика и ориентируемая антенна связи через спутник-ретранслятор. «Тяньчжоу» оснащен бортовым связным комплексом высокой пропускной способности – по сравнению с предыдущей версией она увеличена вчетверо и достигает 1 Гбит/с. В хвостовой части по оси отсека смонтированы четыре двигателя орбитального маневрирования тягой 490 Н. Этим «Тяньчжоу» отличается от «Тяньгуна», у которого их только два. В качестве этих двигателей используются ЖРД второго поколения, применяемые на китайских геостационарных спутниках на платформе DFH-4. Из числа двигателей направленного перемещения тягой 150 и 120 Н четыре смонтировано по периферии хвостового днища ПАО (работают на разгон), четыре

Внутри Тяньчжоу

на конической переходной секции (на торможение). Четыре пары ЖРД разворотов по тангажу и рысканью установлены на боковых поверхностях в хвостовой части ПАО. Четыре пары двигателей тягой 25 Н для придания кораблю вращения вокруг продольной оси также находятся у кормового среза, а еще четыре пары для разворотов по тангажу и рысканью – на передней конической части. Компоненты топлива хранятся в восьми сферических баках в ПАО. Баки бортовой двигательной установки и системы дозаправки являются специализированными, однако возможно использовать для дозаправки избыток собственного топлива и наоборот – перенаправить компоненты из системы дозаправки на

Стыковка с орбитальным модулем Тяньгун-2

двигатели корабля при необходимости парирования нештатных ситуаций. Доставляемые грузы размещаются в стандартных мешках (сумках) в стеллажах по четырем плоскостям грузового модуля (под них отведено по 12 ячеек на левом и правом борту, по восемь – на зенитном и надирном), а также перед стеллажами. Некоторые ячейки специализированы под определенные виды грузов, такие как научная аппаратура, перевозимая в запитанном рабочем состоянии. Заявленный срок активного существования «Тяньчжоу» в автономном полете – три месяца.

Спроектированы три варианта «Тяньчжоу» с разной конфигурацией отсека доставляемых грузов. Помимо испытываемой в первом полете герметичной версии, для снабжения китайской космической станции «Тяньгун» будут использоваться вариант с полностью негерметичным отсеком для доставки внешних грузов и комбинированная версия, в которой передняя половина цилиндра большого диаметра выполнена как герметичная секция, а задняя – как негерметичный объем. Доставляемые в открытых секциях негерметичные грузы планируется извлекать с использованием манипулятора станции.

Тяньчжоу в автономном полёте

Cygnus

Грузовой космический корабль Cygnus

Cygnus («Лебедь») – частный автоматический грузовой космический корабль снабжения, разработанный и эксплуатирующийся компанией Orbital Sciences Corporation (сейчас – Orbital АТК) в рамках проекта COTS и в настоящее время выполняющий грузовые полеты по программе CRS. Cygnus состоит из двух цилиндрических отсеков – герметичного грузового модуля PCM (Pressurized Cargo Module) и приборно-агрегатного модуля SM (Service Module). Первый изготовлен фирмой Thales Alenia Space (Италия) на основе Многоцелевого грузового модуля MLM,

Корабль в техническом комплексе

который применялся совместно с кораблями системы Space Shuttle для доставки герметичных грузов на МКС. Второй построен Orbital АТК на основе собственной спутниковой платформы Geostar и элементов зонда Dawn. Компания-разработчик имела возможность выполнить одну демонстрационную миссию на МКС в рамках программы COTS и в общей сложности восемь рейсов CRS. В первых четырех полетах корабль летал в стандартной конфигурации, с «коротким» модулем PCM-S. Запуск осуществлялся с помощью РН Antares фирмы Orbital АТК, стартующей из космопорта MARS в штате Вирджиния. Когда носитель Antares был усовершенствован путем установки двигателя Castor 30XL в качестве второй ступени, планировалось перейти к расширенной конфигурации с «удлиненным» РСМ-Е,

Укладка грузов

вмещающей больше груза. В передней части грузовой модуль РСМ имеет люк размерами 94x94 см, который интегрирован в 127-сантиметровое кольцо единого причального механизма СВМ (Common Berthing Mechanism). Как американский корабль Dragon («Дракон») и японский Kounotori («Аист»), Cygnus оснащен пассивной частью СВМ, в то время как МКС имеет активную часть причального механизма. Перед стартом модуль РСМ загружается большим спектром разнообразных грузов: продукты питания для шести членов экипажа МКС, расходные материалы, такие как комплекты гигиенического оборудования, блоки для технического обслуживания различных систем МКС и научных экспериментов и прочее. Корабль не имеет возвращаемых отсеков и перед спуском с орбиты загружается отработанным оборудованием и ненужными более на станции вещами. Он может «захоронить» при входе в атмосферу до 3500 кг мусора. Расположенный в кормовой части корабля сервисный модуль SM обеспечивает выработку и хранение электроэнергии, управление аппаратом, наведение и ориентацию, а

Стыковка корабля к МКС с помощью роботизированного комплекса

также несет такелажный узел для захвата корабля манипулятором станции. Модуль SM оснащен выдвижными панелями солнечных батарей (СБ), аккумуляторами и радиоэлектронным оборудованием. Стандартный вариант оснащался двумя трехсекционными «крыльями» СБ от компании Dutch Space; усовершенствованный Cygnus имеет сверхгибкие круглые панели с фотоэлементами на арсениде галлия, построенные Alliant Techsystems (АТК) – новым партнером Orbital. Последние вырабатывают до 3500 Вт – несколько меньше стандартных, но при массе всего в 25% от них. Кроме того, в транспортном положении они более компактны. Мощность, потребляемая РСМ, не превышает 850 Вт. SM также содержит основную двигательную установку и систему управления ориентацией. Для выполнения маневров коррекции орбиты Cygnus оснащен двигателем ВТ-4, разработанным японской компанией IHI Aerospace. Он имеет «сухую» массу 4 кг, длину 0.65 м и развивает тягу 100 фунтов (45.4 кгс), используя смесь окислов азота MON-3 и гидразин. Компоненты топлива (828 кг) хранятся в сферических резервуарах и вытесняются в двигатель сжатым гелием. Система управления, оснащенная 32 микродвигателями тягой по 7 фунтов (3.2 кгс), служит для переориентации и малых маневров при сближении. В модуле SM также находятся блоки системы наведения, навигации и управления, оборудование для связи корабля с наземными станциями, МКС и спутниками системы слежения и передачи данных TDRS (Tracking and Data Relay Satellite). Cygnus оснащен звездным датчиком и системой определения абсолютного положения в пространстве по навигационным сигналам GPS во время свободного полета по орбите. Во время встречи и стыковки

Интерьер грузовика

с МКС корабль переходит на систему, определяющую его положение по отношению к станции, – так называемую навигационную систему ближнего действия (proximity navigation system). После выведения на орбиту Cygnus активизирует передатчики и раскрывает панели СБ, а также проводит ряд проверок, чтобы убедиться, что все системы функционируют штатно. Используя звездные датчики и навигацию по GPS, корабль выполняет несколько включений двигателя, чтобы увеличить высоту и подобраться к МКС. Фазирование орбиты в норме занимает примерно 2.5 дня. После попадания в зону 28-километровой «ближней» связи осуществляется переход на дифференциальную GPS-навигацию. Cygnus приближается к станции снизу, со стороны Земли и зависает непосредственно под МКС. На заключительном этапе сближения с комплексом корабль переключается на систему навигации TriDAR. Члены экипажа МКС могут инициировать аварийный отвод аппарата с помощью командной панели, если обнаружат отклонение режимов сближения от номинала. В случае успешного подхода Cygnus останавливается на дальности 10 м от станции и переходит в режим свободного дрейфа, чтобы его мог захватить член экипажа станции с использованием манипулятора Canadarm2. Этот же механизм используется для пристыковки корабля к одному из модулей станции

Приборно-агрегатный модуль