КАК ТЕБЕ ТАКОЕ, ИЛОН МАСК?
Мечта Константина Циолковского, высказанная 120 лет назад, начала воплощаться. Демонстрационный запуск ракетного двигателя на компонентах кислород-водород успешно состоялся в этом году 7 октября в городе Нижняя Салда Свердловской области. Утверждается, что к 2030 году российские космические корабли будут летать в космос и обратно, словно обычные рейсовые самолеты.
Помните захватывающий фильм «Армагеддон», где герой Брюса Уиллиса и со товарищи высаживаются на астероид, грозящий разнести в щепки всю нашу планету? Они хотят взорвать это грозное небесное тело, с огромной скоростью несущееся к Земле. Герои. Ведь одна из опасностей – призрачная возможность вернуться домой, а не остаться навечно на развалинах взорванного астероида. Спасает только русская космическая станция «Мир», где можно дозаправиться водородом.
Массу критики от знающих технические тонкости людей вызвал этот фильм, но для нас важен факт, что авторы «зарядили» двигатель космического корабля-спасателя именно водородом. На сегодняшний день это наиболее эффективный и перспективный вид ракетного топлива.
Иначе говоря, «Армагеддон» по этому признаку можно отнести к жанру научной фантастики, где война добра со злом заканчивается победой людей доброй воли на площадке русской станции «Мир».
Впрочем, не такая уж это фантастика. Первым заговорил о водородно-кислородном двигателе «отец космической техники» Константин Циолковский, выпустивший в 1903 году статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Он представлял себе эту ракету единой, говоря технически, одноступенчатой. В его представлении ракета должна была стартануть, сделать свои космические дела, и вернуться на базу. Но, понимая технологическую ограниченность землян, Константин Эдуардович выдвинул идею «ракетных поездов», идею многоступенчатости.
Действительно, его последователи уперлись в ряд технических сложностей, создали космические корабли многоступенчатые, выводимые на орбиту носителями: ступень за ступенью. Да и водород в качестве топлива оказался вещью капризной.
Во-первых, водород сам по себе газ взрывного характера. Во-вторых, сжижается он при температуре -283 градуса Цельсия. Из всего этого следует, что ему нужны особые баки, особые способы хранения и обращения. Каждый эксперимент с водородным топливом кончался неудачно и очень печально. Потому разработка современных российских ученых ракетного двигателя, работающего на водородно-кислородной смеси – маленький шаг в большое космическое путешествие.
Впрочем, давайте обо всем по порядку.
Сразу скажем, что от идеи до воплощения путь пройден группой теоретиков и практиков из Государственного ракетного центра имени академика В.П. Макеева (ГРЦ имени Макеева, г. Миасс), АО «НИИ машиностроения» (г. Нижняя Салда) и Южно-Уральского госуниверситета (г. Челябинск).
«Я, как руководитель, заинтересована, чтобы наш проект развивался. В будущем для нас важны такие аспекты, как экологичность топлива, многоразовость и разной величины объекты, которые должны выполнять свои задачи в космосе. Мы снова пришли к пониманию, что Россия – космическая держава, сейчас возможности космоса и запросы на различные виды техники огромные. Нам нужно выходить на совершенно новый уровень, не бояться экспериментировать и привлекать молодые кадры. В работе мы руководствуемся принципом безопасности и задачами, которые ставит нам страна. Студенты ЮУрГУ проходят практику в нашем центре, некоторые остаются работать. ЮУрГУ – это тот вуз, который знает, как подготовить нужные кадры», – говорит Елена Матвеева, директор АО «НИИ машиностроения».
ЭВОЛЮЦИЯ «КОБЫЛКИ»
Известно, что советские ученые-ядерщики – большие шутники и острословы. Разрабатывая ракету-носитель для ядерного заряда, они между собой называли ее «кобылкой». Ну, а кто ж еще понесет оружие Апокалипсиса?
Надо признать, что советское ракетостроение ориентировалось не только на теории Циолковского, но и на практику германских разработчиков знаменитой ФАУ-2. Германская ракета работала на смеси этилового спирта и жидкого кислорода. Возможно, спирт в России испарялся слишком быстро, и тогда использовали… керосин. Именно на этой «адской смеси» полетели первые ракеты легендарного Сергея Королёва.
И все бы было тихо и благостно, если бы не политическая конкуренция стран социализма и капитализма. И не просто конкуренция. Например, в 1957–1958 годы на ракету Р-5М была перевооружена практически вся Советская армия. А два ракетных дивизиона были скрытно размещены на территории ГДР в 80 километрах от Берлина. Четыре ракеты были нацелены на Англию, восемь – на Париж, Брюссель, Бонн и Рурскую промышленную область ФРГ. Вся операция проводилась настолько секретно, что о ней не знало даже высшее руководство Восточной Германии.
Напомним, что часть немецких ракетчиков Третьего рейха осела в СССР, а другая (гораздо большая) – в США. Теоретические выкладки были известны обеим сторонам. Но американцы сумели удачно оседлать водородную «кобылку».
Ядерные бомбы уже перестали нуждаться в отдельных ракетоносителях, они долетают до любой точки Земного шара самостоятельно, смертельный заряд превышает скорость звука, он легок на подъем.
Космические же корабли поставили перед учеными задачу выведения на орбиту Земли и далее большой массы различных грузов, в том числе – людей. А это – очень не просто. Прорывным изобретением стала идея разделения ступеней ракет. То есть, «кобылка» вывозить своего седока на определенную высоту и… становится точкой опоры для другой «кобылки», которая, отделяясь, уходит дальше. Именно таким ступенчатым образом до сей поры передвигается современный космический транспорт.
Понятно, что создание космических кораблей – дело дорогое, очень дорогое, архидорогое. Разбрасывание сложными технологическими материальными ценностями – не экономично, а, кроме того, наносит определенный ущерб природе. Уже и околоземную орбиту всю замусорили, и мировой океан – в обломках космических судов.
Тогда родилась идея возвращаемого космического корабля. От «кобылки» решено было эволюционировать до «космического такси». Точнее сказать – до космического челнока. Как говорят американцы – Space Shuttle. 12 апреля 1981 года в США отметили 20-летие первого полета Юрия Гагарина на околоземную орбиту. В этот день с мыса Канаверал стартовал шаттл «Колумбия». С того дня за 22 года эксплуатации «Колумбия» совершила 28 полетов в рамках программы «Спейс Шаттл», проведя в космосе более 300 дней и совершив более 4000 витков вокруг Земли. Погиб первенец челночной эры 1 февраля 2003 года вместе со всем экипажем из семи человек в результате аварии.
Вообще же американские шаттлы проектируются с прогнозируемым сроком службы 100 пусков или 10-летним сроком эксплуатации. Сегодня российские разработчики ориентируются на те же параметры, в зависимости от интенсивности эксплуатации. Следует обратить внимание на то, что, если обычные «космические лошадки» готовятся к своей «поездке» не менее трех месяцев, то судно с двигателем представленного образца сможет совершать полеты каждые 24 часа.
Здесь надо признать, что пока у землян прямой необходимости в подобном транспортном средстве нет. Американцы, летая на околоземную орбиту, чинили свои спутники, телескоп «Хаббал», ремонтировали станцию «Мир» и т.п. Иные аналитики обвиняли астронавтов в том, что те придумывают себе работу, чтобы не прекратилось финансирование космической программы.
В перестроечной России подобного рода работы прекратились. Правда, наши «пионеры космоса» успели запустить «русский шаттл» – «Буран» на ракетоносителе «Энергия». И, отметим особо, что российский комплекс «Энергия-Буран», с водородным двигателем, был гораздо мощнее американских аналогов, ориентировался на доставку грузов на Луну, Марс и иные планеты.
Когда в нашей стране, вышибленной из развитого социализма в дикий капитализм, стало не до космической романтики, многие технологии создания двигателей были утеряны. Сегодня мы пытаемся вернуться на новый виток технической мысли.
КОРОНАЦИЯ РАКЕТЫ
В прошлом году на полигоне в Нижней Салде успешно завершились запуски двигательной установки для многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя на топливной паре спирт-кислород. В этом году после проведения масштабных работ успешно прошли испытания демонстратора двигателя на топливной паре кислород-водород. В принципе, совместная работа ГРЦ Макеева, НИИ машиностроения и ЮУрГУ над этим проектом ведется около трех лет, хотя тема у ракетчиков «на карандаше» с 1992 года. Нынче она обрела конкретные очертания. Пуски двигателей в целях безопасности демонстрировались на экранах, а производились в специально оборудованном бункере. По словам проректора ЮУрГУ Сергея Ваулина, переход на новый вид топливных носителей кислород-водород — важный этап, так как топливная пара обеспечивает максимальную техническую характеристику для ракеты-носителя.
«Нет ни одной научной публикации, которая бы описывала пуск демонстратора двигателя с охлаждаемым центральным телом на кислороде и водороде, поэтому, можно сказать, что эти два пуска, которые состоялись, — первые в мире. Задачи, которые стоят перед нами сейчас, — повышение энергетики и экспериментальное подтверждение верности наших расчетов», — отметил Ваулин.
Новое же здесь не в самой «сладкой парочке» О и Н, а в новом виде сопла, выбрасывающего продукты их горения, двигательную энергию космического корабля.
Если посмотреть на все ракеты прошлого, да и на современные шаттлы, мы увидим так называемые «сопла Лаваля», этакие расширяющиеся трубы, из которых вырывается горящая струя. Так вот, регулировать эту струю, степень ее мощности на разных высотах (где меняется давление окружающей среды) невозможно, со всеми вытекающими (буквально, вылетающими в трубу) последствиями. Но вот сегодня эта техническая проблема была решена. Новый космический корабль не будет иметь традиционного сопла-раструба, ракетный двигатель увенчает КОРОНА.
Да-да, именно КОРОНА. Аббревиатура расшифровывается как «космическая одноступенчатая ракета – орбитальный носитель аппаратов». Ну и схема двигательной установки соответствующая: центральное тело в обрамлении камер сгорания.
Конструкция состоит из 16 малых двигателей, которые располагаются по кругу от центрального тела, представляющего собой иглу. Эти малые двигатели будут направлять реактивную струю на эту иглу, отчего она начнет разгонять газовый поток. В зависимости от высоты полета реактивная струя будет либо приближаться к игле, либо отдаляться от нее. И в таком режиме двигатель может работать на всех высотах при наличии одной ступени ракеты.
Таких двигателей еще не было. В основном известны только теоретические разработки. У американцев не получилось запустить такой двигатель, а у нас получилось. Суть в том, что ракета «Корона» полностью многоразовая. Взлетает на своих двигателях и на них же возвращается. Такого в мире нет ни у кого. Также ни у кого нет и специфических двигателей с центральным телом, и вот эта идея начинает развиваться. Чтобы получить большой двигатель, надо осуществить малые формы. Такой двигатель и был создан. И был продемонстрирован публике в Нижней Салде, где в центре города, наверняка не случайно возвышается просторный торговый комплекс – «Корона».
«Демонстратор жидкостного ракетного двигателя с центральным телом подобен тому, что будет применяться в перспективной многоразовой ракете-носителе, создаваемой сегодня в Государственном ракетном центре имени В. П. Макеева, — говорит генеральный директор и генеральный конструктор ГРЦ, академик Российской академии наук Владимир Дегтярь. – Представленный двигатель в десятки раз меньше по размерам, чем реальный. С помощью этого демонстратора можно получить качественную картину работы установки, что позволит студентам ощутить вкус работы по созданию реальной высокотехнологичной продукции. Разработка полномасштабного двигателя, и тем более многоразового ракета-носителя, — другой виток и совершенно другие вложения и ресурсы. Данные работы возможны при задействовании большого количества организаций ракетно-космической отрасли и включении работ федеральных ракетно-космических программ».
Также этой группой ученых создан специальный бак для кислородно-водородного двигателя, он выполнен из новейших композитных материалов, исключающих ситуацию, приведшую к гибели шаттла «Колумбия». Тогда часть обшивки топливного бака отлетела от корпуса и… пробила обшивку крыла космического корабля с астронавтами на борту. Сгорели все моментально. Но человечество смотрит в небо с оптимизмом. Считается, что заселение соседних планет – вопрос почти решенный. Энтузиаст этого проекта Илон Маск надеется создать шаттлы семейства Falcon (Сокол) с частично возвращаемыми ускорителями и первой ступени, это удешевит запуски кораблей для колонизации ближних и дальних планет. Но то, что создали и продемонстрировали российские разработчики для него – просто сказка.
Что ж, мы рождены, чтоб сказку сделать былью…. К 2030 году.
Фото представлены АО «НИИ машиностроения» (г. Нижняя Салда)