Сны о большом глупом носителе

Помните байку о разработке космической ручки? Да, она не основана на реальных событиях, но очень наглядно иллюстрирует идею, что простое решение может оказаться лучше сложного. Ракета, построенная по принципу "большого глупого носителя" ("Big Dumb Booster") находится не в диапазоне "умный-глупый", а, скорее, "простой-сложный". Привычные нам ракеты-носители вырослииз военных баллистических ракет, и при их проектировании эффективность была важнее стоимости. Но, если мы собираемся осваивать Космос, то нам нужно много ракет, и сложные бывшие военные ракеты становятся слишком дорогими. А что, если попробовать сделать ракету сравнительно простой, но экономически выгодной?

Кратко о других способах

В предыдущих публикациях сериирассказывалось о других идеях облегчения доступа в космос:
Многоразовость. Ракета дорогая, топливо дешевое, давайте использовать ракету многократно. Если бы всё было так просто, то Спейс Шаттлы летали бы сейчас десятками и сотнями в год. Многоразовые системы очень зависят от затрат времени и денег на подготовку к повторному полёту, и здесь шаттлы проиграли экономическую конкуренцию одноразовым носителям. Сейчас многоразовостью занимается Элон Маск, но ему ещё долго двигаться в этом направлении - пока не было ни одного полёта повторно использованного Dragon или Falcon, не говоря уже о регулярном повторном использовании для того, чтобы можно было оценить экономическую эффективность.
Воздушный старт. Идея запускать ракету-носитель с летящего самолёта предлагалась во многих проектах. Однако, на сегодняшний день только РН легкого класса Pegasus использует эту схему. Из заметных разрабатываемых проектов - идёт строительствосамолёта-носителя проекта Stratolaunch под более тяжелую ракету.
Single Stage To Orbit. Идея многоразового космоплана, стартующего с аэродрома, выходящего в космос и возвращающегося обратно. Известен проект Skylon, но по нему в последнее время не было заметных новостей.
Безракетный космический запуск. Космический лифт, петля Лофстрома, космические фонтаны и прочее, и прочее. Пишут об этом часто, вот, например, свежий обзор, поэтому я не стал делать свой (или, думаете, стоит?), но воз и ныне там. Подобные технологии имеют три огромных недостатка:

1. Почти для всех проектов требуются материалы и технологии, которые человечество ещё не умеет делать.


2. Стоимость такого сооружения поистине космическая, и строиться оно будет долго.


3. Проблемы с расчетом сроков окупаемости и невозможность эксплуатации частично готового сооружения для подтверждения концепции.

Первый монстр

В 1962 году инженер Aerojet Роберт Труакс предложил проект Sea Dragon. Двухступенчатая ракета-носитель должна была иметь высоту 150 м, диаметр 23 м и полную массу 18 000 тонн. Ракета собиралась в порту, затем её заправляли керосином - топливом первой ступени и азотом - газом наддува баков. Затем ракету должны были буксировать на плаву к месту старта. Корабль обеспечения (предлагалось использовать атомный авианосец) методом электролиза разлагал воду на водород и кислород. Жидким водородом заполнялись баки топлива второй ступени, а кислородом - баки окислителя обеих ступеней. После заправки балластные танки первой ступени заполнялись водой, и ракета становилась в воде вертикально. Старт производился из частично погруженного положения, ожидалось, что Sea Dragon сможет выводить примерно 500 тонн на низкую околоземную орбиту. Простота конструкции должна была обеспечить стоимость выведения в диапазоне $60-600 за килограмм, в разы меньше существовавших тогда ракет.



Единственный двигатель первой ступени создавал тягу 36 000 тонн, но не представлял особой технической сложности - давление в камере сгорания не превышало 20 атмосфер, и топливо подавалось без сложных турбонасосов, давлением газа наддува (т.н. вытеснительная подача). Двигатель второй ступени имел тягу "всего" 6 350 тонн, а давление в камере сгорания всего 7 атмосфер. Для сравнения, давление в камерах сгорания современных ракетных двигателей достигает 255 атм (РД-191). Корпус ракеты изготовлялся из легированной стали толщиной 7 мм и был не сложнее корпуса подводной лодки в производстве. Собственно говоря, ракета и должна была производиться на верфи. Проект был рассмотрен судостроительной компанией Todd Shipyards, которая посчитала его выполнимым. Экономические и инженерные расчеты были подтверждены компанией TRW, уже зашла речь о покупке участка побережья под космодром, но бюджет NASA начали сокращать. Из-за нехватки средств был закрыт весь отдел перспективных разработок, занимавшийся Sea Dragon и проектами пилотируемых полётов на Марс. А Aerojet не могла выделять средства на разработку такого циклопического проекта самостоятельно.

Почти взлетевший OTRAG

Лутц Кайзер мог быть известен уже более тридцати лет как первый частный ракетостроитель. Ученик Зенгера, Лутц основал компанию OTRAG ("Орбитальный транспорт и ракеты") и убедил Вернера фон Брауна и Курта Дебусавойти в команду после их выхода в отставку из NASA. Идея новой ракеты-носителя состояла в использовании простых блоков, которые должны были производиться массово и, поэтому, быть очень дешевыми.



Один CRPU (Common Rocket Propulsion Unit - "стандартный ракетный блок") представлял собой трубу длиной 16 м и диаметром 23 см. В блоке размещались баки топлива (керосин), окислителя (тетраоксид азота и азотная кислота в равных пропорциях), наддува (сжатый воздух). Баки разделялись плоскими переборками. Внизу был установлен простой двигатель с абляционной теплозащитой сопла и тягой 2,5 тонны, клапаны, батареи и электроника.



Особенностью конструкции ракеты была пакетная установка ступеней. Сначала работали блоки с наружной части пакета, затем внутренние. По расчетам, для вывода одной тонны на орбиту нужны были три ступени, из 4, 12 и 48 блоков. Пакетная компоновка приводила к тому, что ракета получалась относительно короткой и широкой, и, в теории, могла запускать большие и широкие спутники. Для запуска более тяжелых грузов надо было просто взять больше блоков. С точки зрения привычного нам критерия соотношения полезной нагрузки и стартовой массы ракета получалась неэффективной - для того, чтобы вывести на орбиту 8 тонн (чуть больше современного "Союза") требовалась ракета начальной массой 800 тонн (в два с лишним раза тяжелее "Союза"). Для того, чтобы вывести 128 тонн, требовался монстр начальной массой 12 800 тонн (в четыре раза тяжелее "Сатурна V", выводившего примерно столько же). OTRAG должна была выиграть за счет экономической эффективности. Массовое производство конструктивно простых блоков, десятками тысяч в год, должно было сделать их очень дешевыми.


Шесть двигателей на испытательном стенде


Автоматизированная линия производства CRPU


Рисунок старта сверхтяжелой версии OTRAG

В 1975 году компания OTRAG подписала контракт с Заиром о строительстве космодрома в провинции Катанга (сейчас территория Конго). С точки зрения физики всё было логично - космодром находился возле экватора, в удобном для космонавтики месте. Первые полёты испытательных четырехблоковых ракет начались в 1977 году.


Ракета на стартовой площадке.


Испытательный пуск. Не включился один двигатель.

Уникальное видео визита какого-то высокого заирского начальства и того самого неудачного пуска:


Проблемы начались, когда в дело вмешалась политика. Во-первых, развитые страны опасались, что ракеты OTRAG будут использоваться для военных целей. Да, они были бы крайне неэффективны в такой роли, но слаборазвитым странам Африки любая ракета лучше, чем ничего. Во-вторых, развитые страны не хотели экономического конкурента своим ракетам-носителям. СССР, США и Франция совместно начали кампанию по дискредитации OTRAG в СМИ и стали оказывать политическое давление на Заир. В 1979 году OTRAG была вынуждена покинуть страну. Испытания в Западной Германии были крайне затруднены по политическим причинам, и в 1981 году компания построила испытательный полигон в ещё худшем месте - Ливии. В 1982 году Западная Германия присоединилась к договору о нераспространении ракетных технологий, и перевозка произведенных в ФРГ блоков в Ливию стала невозможной. Несмотря на обещания, Муаммар Каддафи тут же конфисковал испытательный полигон, и ливийские инженеры попытались продолжить проект. К счастью (потому что это уже явно была программа разработки баллистических ракет, посмотрите на пусковую), ничего у них не вышло, и проект был остановлен окончательно. За время испытаний было проведено порядка шести тысяч испытаний на стенде и примерно полтора десятка суборбитальных полётов в одноступенчатой четырехблочной конфигурации. За 1975-1987 годы проект OTRAG обошёлся примерно в $200 миллионов.

Большой глупый носитель сегодня

Лутц Кайзер жив и достаточно активно общается с частниками "новой волны" - Armadillo Aerospace Джона Кармака и другими. Компания Interorbital Systems разрабатывает ракету Neptune такой же компоновки:



А Armadillo Aerospace хотела сделать весьма похожую ракету Stig и использовать её как геофизическую:


Драматическая авария:


Из заметных проектов также стоит отметить HEAT-1X, в котором ещё упростили конструкцию, заменив ЖРД на гибридный двигатель на топливной паре жидкий кислород/полиуретан. К сожалению, HEAT-1X разбился в одном из испытаний, новая версия TM-65 Tordenskjold сгорела во время стендовых испытаний. Сейчас Copenhagen Suborbitals делают новую ракету.
В 2006 году проект Aquariusкомпании Space Systems/Loral участвовал в конкурсе COTS (доставка груза на МКС частной компанией), но проиграл. Особенностью проекта было использование топливной пары кислород/водород, что достаточно сложно для "простой" ракеты, и всего одна ступень для вывода на орбиту 1 тонны груза.

В России идею "большого глупого носителя" реализует проект РН "Таймыр"от компании "Лин Индастриал". Низконапряженные двигатели, некриогенные компоненты топлива, модульная пакетная компоновка - всё это должно максимально снизить стоимость пуска. Более тяжелые "Адлер" и "Алдан" используют двигатель первой ступени "Союза" РД-108 и рулевые камеры от него, подозреваю, по тем же причинам - двигатель уже есть и давно производится серийно.
Любопытно, но иногда к концепции BDB относят российские ракеты-носители в целом. Например, РН "Союз" использует двигатели, которые не находятся на пределе возможностей современной технологии. Но она очень надежна, производится серийно, сравнительно дешева и поэтому крайне успешна. Но, поскольку наши ракеты не разрабатывались специально как простые и максимально дешевые, вопрос применимости к ним концепции BDB остается дискуссионным.

Будущее

Что же касается будущего, мне кажется, что этот путь потенциально очень перспективный, и у меня есть два аргумента:

Аргумент от технологии

Современный ракетный двигатель - очень сложная штука. Множество деталей сложной формы, произведенных из специальных высокопрочных материалов при помощи сложных производственных процессов с очень маленькими допусками по точности - всё это не может стоит дешево. Теперь представим себе ракетный двигатель, который напечатан на 3D-принтере и специально спроектирован для того, чтобы быть простым. Да, он не будет эффективным с точки зрения физики, у него не будет рекордных показателей по давлению в камере сгорания, тяге или удельному импульсу, но мелкосерийное производство таких двигателей может оказаться очень экономически выгодным. Они также не должны быть многоразовыми - на определенном уровне технологии их будет проще переплавить и распечатать снова, чем пытаться перебирать и дефектоскопировать.

Аргумент от истории техники

Когда человечество по-настоящему освоило компьютеры и микропроцессоры? Когда они стали появляться на городских свалках. В 60-х и 70-х годах мощные ЭВМ были относительно распространены и уже влияли на нашу жизнь. Но для следующего качественного перехода потребовались пусть и менее мощные, но дешевые и доступные персональные компьютеры. Для производства микросхем требуются высокие технологии, но отдельный чип сейчас может стоить копейки.
Ту же ситуацию можно найти и в других областях. Пулемёт Максима изменил поля сражений, но следующим качественным шагом стал автомат Калашникова - с менее мощным патроном и меньшей дальностью прицельной стрельбы, но технологичный для условий массового производства.
В авиации реактивные двигатели дали возможность достигнуть сначала околозвуковых, затем сверхзвуковых скоростей. Но сейчас высокие технологии используются для снижения стоимости полёта, а сверхзвуковые пассажирские лайнеры вымерли.
Мне кажется, эти аналогии могут быть применены и при попытке предсказать будущее ракетной техники. Диалектика развития ракет-носителей может оказаться в том, что высокие технологии и изобретательность людей будут использоваться для создания "глупых" ракет.

Список использованных источников

Основной источник кроме Википедии - Encyclopedia Astronautica.