Проект Rascal- воздушный старт по заказу US Air Force

Проект Rascal- воздушный старт по заказу US Air Force


В статье от 04.02.2017 Многорежимный гиперзвуковой беспилотный летательный аппарат «Молот»
была ссылка на проект Rascal:


Поскольку тема вроде бы заинтересовала читателей, предлагаю к рассмотрению этот проект в отдельной статье.

ВВС США в 2001 году оформили MNS-заявку *(здесь и далее звёздочкой отмечены термины и сокращения, расшифровка которых приведена в конце статьи) с изложением требований к «Оперативно адаптивной системе космического запуска» (ORS*).


Требования MNS включали в себя следующие основные базовые задачи:
— быстрое время отклика миссии (запуска);
— возможность старта (запуска КА*) с любой широты территории США и их союзников;
— доступность (себестоимость вывода 1 кг ПН* на НОО* ) как на основе каждого миссии, так и общая низкая стоимость программы (НИОКР).



/прогноз потребностей рынка запусков/


В ответ на MNS, а также с учётом предполагаемых коммерческих потребностей рынка космических запусков, было предложено несколько концепций, отвечающих этим требованиям.


Наиболее реалистичным оказался проект, основанный на принципе «воздушного» старта.

Rascal-Responsive Access Small Cargo Affordable Launch, который и поддержала финансированием DARPA.





Воздушный старт (ВС) — способ запуска ракет или самолётов с высоты нескольких километров, куда доставляется запускаемый аппарат. Средством доставки чаще всего служит другой самолёт, но также может выступать воздушный шар или дирижабль.

Основные преимущества ВС:
- Как правило, эта система (или её часть) является многоразовой, с достаточно низкой себестоимостью вывода ПН* на НОО. Это обусловлено тем, что самая технически сложная первая ступень является и самой дорогой;
- Используется то, что на «халяву» дано нам мирозданием, а конкретно атмосфера. Вернее, свойства атмосферы при движении или нахождении в ней физических тел: подъемная сила и/или архимедова сила, т.е. те факторы, которые для обычных РН вертикального старта является помехой;
-Система ВС не привязана к стартовому комплексу (СК) или стартовой позиции (СП), грубо говоря, к дорогостоящему космодрому со всей инфраструктурой. И соответственно нет привязки к широте пуска (головная боль СССР и теперь уже России).


Дело в том, что есть такой неприятный физический закон:

Начальное наклонение орбиты не может быть меньше широты космодрома.

Строить везде СК (СП, космодромы) накладно, а иногда и просто невозможно. С другой стороны аэродромами (ВПП) охвачен почти весь земной шарик.


Теоретически можно использовать и авианосец. Некое подобие комбинации "Sea Launch" и ВС (air-launched spacelift).

В системе ВС фактически могут использоваться любые ВПП, как военные, так и гражданские необходимой категории:


Пример:
Полная взлетная масса системы ВКС не более 60 тонн. У Boeing 737-800 полная взлётная масса 79 тонн. ВПП, способных принять Boeing 737-800, только гражданских в США за 13000 (у нас около 300), а с военными ВПП более 15 000 аэропортов.

-Система воздушно космического старта в разы менее критична к погодным условиям, чем РН вертикального старта (не может маневрировать по дальности, чувствительна к ветру, скорость 500 тн махины вертикальная от 0 км/с достигает 5 км/с на высотах в 120 км, давление атмосферы (срез сопла) влияет на тягу/УИ и тд);
-Логистика (все элементы, в т.ч. и ЛА носитель-аэротранспортабельны), топливные компоненты - обычные топливные компоненты для летательных аппаратов нашего времени;

Даже боле того: ЛА (носитель) сам может прибыть на завод-изготовитель, там ему ПРОФЕССИОНАЛЬНО и в тепличных условиях устанавливают изделие, тестируют, проверяют, ЛА возвращается на точку старта (ВПП) и там, набрав высоту, на эшелоне 12-15 осуществляет заправку, затем разгон, маневр "горка" и запуск орбитальной ступени.

Системе ВКС, по сути, не надо "привозить" ракету, делать ПРР/ТЭО, да и сам МИК, по сути, не нужен:


-Оперативность пуска;
- Дешевизна компонентов системы и налаженное их коммерческое производство;
-Экологический аспект (зоны отчуждения под падающие ступени РН);
-Есть категория спутников, которые не могут покидать территорию страны производителя спутников, или заказчика (даже если требуется определённая широта пуска);
-Миниатюризация спутников (всё меньше и меньше по размерам и массе).


Платформа Cube-Sat как пример.


-Любой университет (или частное лицо) может себе позволить запуск здесь и сейчас, когда ему нужно, а не потом "когда наберём достаточную полезную нагрузку";
и т.д.


Существуют и недостатки:
- Малая масса выводимой ПН и ограничения на габарит КА;
-Практически (из-за массогабаритных ограничений носителя) достижимы лишь НОО или более высокие орбиты, с существенным уменьшением массы ПН;
-Сложности как расчетов, так и исполнения носителя, способного выдерживать около — и гиперзвуковые скорости (нагрев, теплозащита, аэродинамика и т.п.);
-Постоянно возимый балласт (запас топлива для возвращения и посадки первой ступени);
-Прочее;


Начатый в марте 2002 года проект RASCAL представляет собой попытку при поддержке и под эгидой ТТО* DARPA разработки частично многоразовой системы космических запусков воздушного базирования, способной быстро и регулярно доставлять полезную нагрузку на НОО по очень экономичной цене.

Фаза II (18-месячный этап разработки программы) стартовала в марте 2003 года с выбором космической ракетной корпорации SLC (г.Ирвин, штат Калифорния), в качестве генерального подрядчика и системного интегратора.



Концепция RASCAL опирается на архитектуру Spacelift воздушного базирования, состоящую из многоразового летательного аппарата:


и ракету (разгонный блок) одноразового использования (ELV*), который в данном случае называется ERV*:


В комплексном виде в те времена это представляли так:




Турбореактивные двигатели многоразового транспортного средства исполнены в форсированном варианте, известном с 50-х годов как MIPCC*.

Технология MIPCC прекрасно подходит для достижения высоких чисел Mach при полёте в атмосфере.







После достижения около гиперзвуковых скоростей в горизонтальном полёте носитель делает аэродинамический маневр типа «динамическая горка» (Zoom Maneuver) и производит экзо-атмосферный (с высот более 50 км) пуск одноразовой ракеты (разгонной ступени).





Высокая энерговооружённость ТРДД с технологией MIPCC не только допускает упрощенную двухступенчатую конструкцию ERV, но и значительно снижает структурные требования к ERV, который при таком профиле вывода не испытывает никаких существенных аэродинамических нагрузок.

Последующий повторный запуск по затратам, согласно прогнозам, будет ниже $ 750 000 на доставку 75 кг полезной нагрузки на НОО.





Благодаря своей гибкости, простоте и низкой себестоимости архитектура RASCAL может поддерживать цикл запусков между миссиями длительностью менее чем 24 часа.

В дальнейшем предполагается использовать и вариант с многоразовой второй ступенью системы.



Интересный факт: в 2002 году президент компании Destiny Aerospace г-н Tony Materna, воодушевлённый деньгами и перспективами DARPA, загорелся идеей использовать для этой системы имеющийся в наличии и списанный американский одноместный, одномоторный сверхзвуковой истребитель-перехватчик с дельтовидным крылом Convair F-106 Delta Dart.



Tony Matern на базе Davis Monthan AFB AZ при осмотре "претендентов".


Идея была достаточно здравая и легко воплощаемая.


На самом деле модификацию Convair F-106B в 60-х годах уже испытывали с технологией MIPCC. Если я не ошибаюсь - на нём она и была разработана и опробована.


Очень жаль (с инженерной точки зрения), что дешёвый и быстро реализуемый проект RASCAL на базе F-106 так и не сдвинулся с мертвой точки после почти двух лет исследований.
Read the Final Draft of that proposal below

Небольшой флот из семи оставшихся летабельных F-106, доступных на базе Davis Monthan AFB AZ, сначала был сокращен до 4-х единиц (три F-106 были переданы для музейных экспозиций в Castle CA, Hill AFB, UT & Edwards AFB, CA), а Tony Matern так и не дождался заинтересованности и инвестирования.

Подробнее о F-106 смотрите здесь:
Истребители-перехватчики F-106 и Су-15 "Хранители неба"

Мне это напоминает наших два МИГ-31Д, которые "достались" Казахстану и просто закончили свой жизненный цикл.


"Ишим" был основан на "Контакте", который практически был воплощён в железе:


Первое отечественное успешное испытание с самолёта-носителя: опытный изд.«07-2» с подвеской штатной ракеты «79М6», с аэр.Сарышаган над группой полигонов Бет-Пак Дала. 26 июля 1991г.


А болванок, без вывода ракеты на траекторию перехвата, было отстреляно около 20 единиц.

Примечание: Задумка Томи Матерна не "канула в лету". Компании StarLab и CubeCab планируют наладить доставку малогабаритных спутников на низкую околоземную орбиту с помощью 3D-печатных ракет и методики воздушного старта. Главной задачей CubeCab станет повышение оперативности запусков миниатюрных космических аппаратов за счет использования старых истребителей-перехватчиков F-104 Starfighter и недорогих 3D-печатных ракет-носителей.

Хотя F-104 впервые поднялся в воздух в далеком 1954 году, карьера этого заслуженного самолета может быть продлена, причем не в первый раз. Из-за высокой аварийности самолет начали массово снимать с вооружения еще в 70-х, но высокие летные характеристики позволили машине продержаться в качестве испытательной платформы и летного тренажера NASA до середины 90-х.

Несколько F-104 в настоящее время эксплуатируются частным оператором Starfighters Inc.


Отличная скороподъемность и высокий потолок делают F-104 подходящей платформой для запуска зондирующих ракет.


Расчетная стоимость одного запуска составляет $250 000. Это далеко не дешево, но гораздо более выгодно, чем использование крупногабаритных ракет-носителей с неполной полезной нагрузкой.

Проект RASCAL был закрыт DARPA в пользу проекта ALASA, который был так же закрыт в 2015 в пользу проекта XS-1.
DARPA release- ноябрь 2015

Термины и сокращения помеченные «*»:
MNS — Mission Need Statement= Официальное требование (заявка)

ORS — Operationally Responsive Spacelift = система запуска КА с быстрым реагированием

ВС — воздушный старт, ВКС(air-launched spacelift) = воздушно-космический старт.
Rascal — Responsive Access Small Cargo Affordable Launch=Доступная система запуска КА воздушного базирования с быстрым временем реакции.

КА — космический аппарат
LEO (НОО)
кликнуть LEO(НОО) — низкая околоземная орбита (Low Earth orbit)

ПН — полезная нагрузка
ВПП — взлётно-посадочная полоса
ELV — expendable launch vehicle= одноразовая система запуска

expendable launch vehicle (ELV)
ERV — Expendable Rocket Vehicle
ELR—Expendable Rocket Vehicle= одноразовая ракета-носитель(малой стартовой массы- small LV

MIPCC — Mass Injection Pre-Compressor Cooling
Технология представляет собой распыление воды только в передней части лопаток компрессора двигателя J-75, как только самолет приближается к Mach 3. Это приводит к охлаждению перегретого воздуха на входе двигателя, как бы обманывая двигатель, симулируя его работу на более низком числе Маха.

Впрыск воды также увеличивает плотность потока через двигатель, а также его объем (секундный расход). Результат-ТРД выдает тем больше тяги, чем быстрее двигается ЛА.
Повышение тяги теоретически возможно на 100%, 200% и 300%, в зависимости от количества впрыскиваемой воды. Этот метод также позволяет ТРД J-75 работать при гораздо более высоких высотах, чем его расчетные проектные показатели.

TTO — Tactical Technology Office (DARPA)

Использованы документы, фото и видео:
www.nasa.gov
www.yumpu.com
en.wikipedia.org
www.faa.gov
www.space.com
www.darpa.mil
robotpig.net
www.456fis.org
www.f-106deltadart.com
www.aerosem.caltech.edu
www.universetoday.com
www.spacenewsmag.com
www.geektimes.ru (моя страничка Антон @AntoBro)
Автор:
Антон [opus]
Ctrl Enter

Заметили ошЫбку Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

41 комментарий
Информация
Уважаемый читатель, чтобы оставлять комментарии к публикации, необходимо зарегистрироваться.
Уже зарегистрированы? Войти