Современные и перспективные аэрокосмические системы воздушного старта
Старт ракеты Pegasus с самолета Stargazer, март 2006 г. Фото NASA
С середины прошлого века в разных странах прорабатывалась концепция аэрокосмической системы с воздушным стартом. Она предусматривает вывод нагрузки на орбиту при помощи ракеты-носителя, стартующей с самолета или иного летательного аппарата. Такой способ старта накладывает ограничения на массу полезной нагрузки, но отличается экономичностью и простотой подготовки. В разное время предлагалась масса проектов воздушного старта, и некоторые даже дошли до полноценной эксплуатации.
Воздушный «Пегас»
Наиболее успешный на данный момент проект аэрокосмической системы (АКС) с воздушным стартом был запущен в конце восьмидесятых. Американская корпорация Orbital Sciense (сейчас входит в состав Northrop Grumman) при участии Scaled Composites разработала систему Pegasus на основе одноименной ракеты-носителя.
Трехступенчатая ракета Pegasus имеет длину 16,9 м и стартовый вес 18,5 т. Все ступени оснащаются твердотопливными двигателями. Первая ступень, отвечающая за полет в атмосфере, оснащена треугольным крылом. Для размещения полезной нагрузки имеется отсек длиной 2,1 м и диаметром 1,18 м. Масса нагрузки – 443 кг.
Pegasus XL на подвеске носителя. Фото NASA
В 1994 г. была представлена ракета Pegasus XL с длиной 17,6 м и массой 23,13 т. За счет увеличения размеров и массы удалось внедрить новые двигатели. Изделие «XL» отличается повышенными энергетическими и летными характеристиками, что позволяет достигать более высоких орбит или нести более тяжелую нагрузку.
В качестве носителя ракеты «Пегас» изначально использовался доработанный бомбардировщик B-52H. Затем в носитель перестроили лайнер Lockheed L-1011. Самолет с собственным именем Stargazer получил внешнюю подвеску для одной ракеты и различную аппаратуру для управления пуском.
Старты АКС Pegasus осуществляются с нескольких площадок в США и за их пределами. Методика запуска достаточно проста. Самолет-носитель выходит в заданный район и занимает высоту 12 тыс.м, после чего осуществляется сброс ракеты. Изделие Pegasus планирует в течение нескольких секунд и затем производит запуск двигателя первой ступени. Суммарное время работы трех двигателей – 220 сек. Этого хватает для вывода нагрузки на низкие околоземные орбиты.
Вывозные испытания ракеты LauncherOne, июль 2019 г. Фото Virgin Orbit
Первый старт ракеты Pegasus с B-52H состоялся в апреле 1990 г. В 1994-м в эксплуатацию ввели новый самолет-носитель. С начала девяностых ежегодно осуществлялось несколько пусков с целью вывода на орбиты тех или иных компактных и легких аппаратов. До осени 2019 г. АКС «Пегас» выполнила 44 полета, из них только 5 завершились аварией или частичным успехом. Стоимость запуска составляет от 40 до 56 млн долл., в зависимости от типа ракеты и других факторов.
Новейший LauncherOne
С конца двухтысячных годов американская компания Virgin Galactic вела работу над проектом АКС LauncherOne. В течение длительного времени проводились опытно-конструкторские работы и поиск потенциальных клиентов. Во второй половине десятых у компании-разработчика возникли проблемы, из-за которых график проекта пришлось пересматривать.
Система LauncherOne строится вокруг одноименной ракеты. Это двухступенчатое изделие длиной более 21 м и массой ок. 30 т. Ракета оснащена двигателями N3 и N4, использующими керосин и жидкий кислород. Суммарное время работы двигателей – 540 сек. На орбиту высотой 230 км ракета LauncherOne может поднять 500 кг груза. Разрабатывается трехступенчатая модификация ракеты с повышенными характеристиками.
Изначально ракету-носитель планировалось запускать при помощи специального самолета White Knight Two, однако в 2015 г. от него отказались. Новым носителем стал переработанный пассажирский самолет Boeing 747-400 с собственным именем Cosmic Girl. Пилон для размещения LauncherOne установлен под левой частью центроплана.
Первый успешный полет LauncherOne, 17 января 2021 г. Фото Virgin Orbit
Компания-разработчик утверждает, что АКС LauncherOne может эксплуатироваться на любом подходящем аэродроме. Место старта ракеты выбирается в соответствии с требуемыми параметрами орбиты. С точки зрения принципов запуска и полета разработка Virgin Galactic ничем не отличается от других комплексов воздушного старта. Стоимость такой операции – 12 млн долл.
Первый запуск LauncherOne состоялся 25 мая 2020 г. После отцепки от носителя ракета запустила двигатель и начала полет. Вскоре после этого произошло разрушение трубопровода окислителя первой ступени, что привело к остановке двигателя N3. Ракета упала в океан.
17 января 2017 г. компания Virgin Orbit провела первый успешный старт. Доработанная ракета взлетела над Тихим океаном и отправила на низкую орбиту 10 спутников типа CubeSat. Имеются контракты еще на три запуска. Ранее имелся заказ от коммуникационной компании OneWeb, однако эти пуски сдвигаются на неопределенный срок или могут быть отменены.
Потенциальные конкуренты
Новые проекты АКС с воздушным стартом сейчас создаются в нескольких странах. При этом наибольшее число проектов предлагается в США, где инициативные разработчики могут получить серьезную поддержку со стороны NASA. В других странах ситуация выглядит иначе – и пока не приводит к заметным успехам.
Истребитель Rafale с ракетой MLA. Графика Dassault Aviation
С конца двухтысячных годов Франция в лице компаний Dassault и Astrium разрабатывает АКС Aldebaran. Изначально рассматривалось несколько концепций ракет с разным способом старта, и дальнейшее развитие получила только MLA (Micro Launcher Airborne) – компактная ракета с нагрузкой в десятки килограммов, пригодная для использования с истребителем Rafale.
Проектирование Aldebaran MLA продолжается уже несколько лет, но испытания пока не начинались. Более того, как сроки испытаний, так и само будущее проекта остается под вопросом.
Любопытную концепцию АКС предложила американская компания Generation Orbit. Ее проект GOLauncher-1 / X-60A предусматривает строительство одноступенчатой жидкостной ракеты, пригодной для подвески под самолет Learjet 35. Она должна развивать гиперзвуковую скорость и совершать суборбитальные полеты. В дальнейшем возможно получение орбитальных возможностей. X-60A рассматривается в качестве платформы для проведения разнообразных исследований.
Старт ракеты X-60A. Графика US Air Force / Generation Orbit
В начале прошлого десятилетия компания Generation Orbit получила поддержку Пентагона. В 2014 г. макетный образец ракеты X-60A совершил свой первый вывозной полет под штатным носителем. С тех пор сообщения о тестовых полетах не появлялись. Вероятно, военное ведомство и подрядчик продолжают разработку, но пока не могут начать полноценные летные испытания по тем или иным причинам.
Несколько проектов АКС разного рода разрабатывалось в нашей стране; их материалы неоднократно демонстрировались на различных выставках. К примеру, проект МАКС предлагал использование самолета Ан-225 и космоплана с внешним топливным баком. Также был разработан проект «Воздушный старт» на основе самолета Ан-124. Он должен был нести сбрасываемый контейнер с ракетой «Полет». Оба проекта не удалось завершить по ряду причин.
Перспективы направления
Как видим, на протяжении нескольких последних десятилетий концепция воздушного старта для полета на орбиту привлекает внимание, что приводит к регулярному появлению новых проектов. При этом далеко не все разработки такого рода доходят хотя бы до испытаний, не говоря уже о полноценной эксплуатации. К настоящему времени до регулярных полетов удалось довести только АКС Pegasus, а вскоре такие успехи может показать LauncherOne.
Комплекс "Воздушный старт" на базе Ан-124. Графика ГРЦ им. Макеева
Подобный неуспех воздушного старта связан с несколькими объективными ограничениями. Грузоподъемность таких АКС пока не превышает нескольких сотен килограммов и находится в прямой зависимости от стартового веса ракеты, который, в свою очередь, определяется в соответствии с характеристиками самолета-носителя. Экономия топлива за счет воздушного старта в целом не решает этой проблемы.
Впрочем, системы с воздушным стартом имеют свои преимущества. Они оказываются удобным средством для вывода небольшой нагрузки на низкие орбиты. Меньшая грузоподъемность позволяет быстрее собрать весь груз и сократить для заказчиков время ожидания. Одновременно с этим появляется возможность разделить относительно невысокую стоимость запуска на большее количество заказчиков. Впрочем, разработчики и изготовители миниатюрной космической техники пока не проявляют должного интереса к существующим АКС.
Зарубежный опыт показывает, что аэрокосмические системы с воздушным стартом имеют определенные преимущества перед другой ракетно-космической техникой и могут более эффективно решать отдельные задачи. Можно предположить, что в будущем этот класс техники не исчезнет и даже получит развитие. В результате этого на рынке космических запусков окончательно сформируется новая ниша, интересная производителям ракетной техники и потенциальным заказчикам.
Информация