Проект воздушного старта RASCAL: как США пытались запускать спутники с истребителей
Проект воздушного старта RASCAL казался очень перспективным. Американские военные пытались разработать частично многоразовую систему космических пусков воздушного базирования. Ключевыми преимуществами проекта должны были стать оперативность, регулярность и экономичность. Однако программу довольно скоро закрыли. В чем была суть проекта и почему он так и не был реализован, разобрался эксперт Pro Космоса Игорь Афанасьев.
В истории мировой космонавтики идея воздушного старта всегда занимала особое место. Мысль о том, чтобы пустить космическую ракету с самолета-носителя, сэкономив на начальных этапах подъема сквозь плотные слои атмосферы, кажется инженерам весьма привлекательной. Эта концепция была воплощена в американском проекте Pegasus компании Orbital Sciences (ныне Northrop Grumman). Недавно мы также наблюдали полеты системы LauncherOne компании Virgin Orbit, которая успешно выводила спутники на орбиту. Однако последний проект был закрыт по экономическим причинам.
Еще в начале 2000-х годов в DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) — агентстве Министерства обороны США, занимающемся разработкой новых технологий для вооруженных сил, — возник более радикальный план. Он должен был сделать воздушный старт не просто удобным, но и оперативным, почти как вылет дежурного звена перехватчиков. Этот проект получил название RASCAL («Мошенник»).
Что такое проект RASCAL
Главной целью проекта было создать оперативную систему воздушного запуска небольших полезных нагрузок в интересах национальной безопасности. Аббревиатура RASCAL (Responsive Access, Small Cargo, Affordable Launch) переводилась как «Оперативный доступ, доступный запуск малых грузов».
Программа была официально инициирована агентством DARPA в марте 2002 года. Перед разработчиками, одним из которых была компания CENTRA Technology, была поставлена амбициозная задача: выводить спутники массой до 400 фунтов (181,4 кг) на круговую орбиту высотой 500 км при стоимости миссии не более $750 тысяч.
В то время классические ракеты-носители наземного пуска аналогичного класса стоили гораздо дороже, а их подготовка занимала многие недели, если не месяцы. RASCAL же должен был взлетать через час после получения приказа. Чтобы достичь таких результатов, инженеры решили отказаться от традиционного дозвукового десантирования и создать двухкомпонентную сверхзвуковую систему. Она состояла из многоразового самолета-носителя MPV (MIPCC Powered Vehicle) и одноразовой ракеты ERV (Expendable Rocket Vehicle), скрытой внутри фюзеляжа.
Устройство самолета-носителя MPV
Самолет MPV разрабатывался специально. Это должна была быть внушительная машина длиной 27 метров и взлетной массой 49 тонн, сопоставимая с максимально загруженным истребителем-перехватчиком. Она имела треугольное крыло с двойной стреловидностью. Сердце самолета — четыре турбореактивных двигателя F100, подобных тем, что стоят на истребителях F-15 и F-16. Их модернизировали по уникальной технологии MIPCC (Mass Injection Pre-Compressor Cooling).
Суть технологии заключалась в обмане физики: набегающий поток воздуха искусственно «остужали» прямо перед входом в двигатель. Инженеры понимали, что на сверхзвуке воздух в диффузорах сжимается и разогревается настолько, что температура на входе в компрессор может превысить 430°C. Это не только грозило разрушением лопаток, но и резко снижало эффективность двигателя.
Расчетная скорость MPV соответствовала 3,5 Маха (около 4000 км/ч). На таких режимах воздух в двигателе разогревается до критической температуры, и лопатки турбины теряют прочность. Чтобы избежать перегрева, инженеры и предложили систему MIPCC. Перед компрессором в воздух впрыскивали охладитель — воду или жидкий кислород. Испаряясь, он мгновенно охлаждал воздух и увеличивал его плотность, давая двигателю дополнительную мощность. Это позволяло самолету разгоняться и набирать высоту в условиях, где обычные турбореактивные двигатели перегревались и отказывали.
Как работал воздушный старт RASCAL
Ключевым элементом полета RASCAL стал маневр, известный как «динамическая горка» в отечественной авиации. В технической документации DARPA этот маневр описан через графики удельной энергии, включающей высоту и квадрат скорости самолета.
Инженеры спланировали траекторию, где самолет работал как гигантский аккумулятор. Сначала MPV летел горизонтально на высотах 6–12 км (20–40 тысяч футов), наращивая тягу и разгоняясь до 3,5 Маха. Приобретя огромную кинетическую энергию, он резко поднимал нос и уходил в крутой набор высоты. Скорость падала, но высота росла по инерции.
На вершине «динамической горки» самолет достигал высоты 61 км (200 тысяч футов). В почти космически разреженном воздухе сопротивление практически исчезало, а динамическое давление составляло около 1 фунта на квадратный фут (4,88 кг/м²), почти вакуум. В этой точке, двигаясь по инерции со скоростью 1,5–2 Маха, самолет должен был выпустить ракету ERV.
Сложный профиль полета самолета-носителя был необходим для создания идеальных условий старта ракеты. Обычно носитель, улетающий с наземного пускового комплекса, тратит значительную часть топлива только на то, чтобы преодолеть сопротивление плотных слоев атмосферы. Для защиты полезного груза от скоростного напора и аэродинамического нагрева требуется сложный и громоздкий головной обтекатель, который не только увеличивает «мертвый» вес, но и значительно удорожает конструкцию.
В проекте RASCAL этот подход был изменен принципиально. Разделение ступеней происходило в вакууме на вершине «динамической горки». Ракете ERV весом 7257 кг аэродинамический обтекатель не требовался вовсе. Она выходила из грузового отсека самолета и сразу включала двигатели в условиях, где сопротивление воздуха практически отсутствовало. Это позволило увеличить удельный импульс за счет оптимального расширения сопла и направить всю энергию на набор орбитальной скорости, сделав конструкцию ракеты значительно легче и эффективнее. Первая ступень массой 6078 кг и вторая ступень массой 998 кг могли гарантированно вывести на орбиту 181 кг полезного груза.
Главные сложности проекта RASCAL
Высокий риск аварии MPV
Проект RASCAL казался привлекательным на бумаге, но за возможностью пустить ракету из стратосферного «вакуумного кармана» приходилось платить высокую цену. Основной жертвой становился самолет-носитель MPV. Для одноразовой ракеты старт в условиях разреженного воздуха был выгодным, но для многоразового самолета такие условия превращались в ежедневное испытание на грани аварии.
Проблема заключалась в том, что на высоте 60,96 км, где происходило разделение ступеней, у MPV практически полностью терялась эффективность аэродинамических органов управления. На этой отметке атмосферное давление падало до крайне низкого уровня — всего 1 фунт на квадратный фут (4,88 кг/м²). Это означало, что традиционные элероны, рули высоты и направления, которые обычно управляют самолетом, становились бесполезными.
Чтобы предотвратить потерю пространственной ориентации MPV в момент выхода 7-тонной ракеты из грузового отсека, инженеры разработали сложную систему реактивного управления, включающую газовые сопла, аналогичные тем, что используются на космических кораблях. Таким образом, носитель RASCAL превратился из «истребителя для космоса» в полнофункциональный суборбитальный ракетоплан.
Термические нагрузки
Второй критический вызов заключался в термических нагрузках. Разгон 50-тонного планера длиной 89 футов (27,13 м) до скорости 3,5 Маха (около 4000 км/ч) в относительно плотных слоях атмосферы вызывал огромный кинетический нагрев обшивки. Планер невозможно было изготовить из алюминиевых сплавов, необходимо было переходить на титан и сталь. Двигателям приходилось еще сложнее.
Система MIPCC, о которой мы говорили ранее, считалась инженерным чудом, но и у нее были свои пределы. Впрыск охладителя (воды или жидкого кислорода) перед компрессором четырех турбореактивных двигателей F100 позволял им работать в запредельном форсированном режиме. Однако расчеты показывали пугающие цифры: термические удары, эрозия лопаток от мелкодисперсного тумана и износ в агрессивной среде приводили к тому, что двигатели требовали переборки и дефектоскопии гораздо чаще, чем на обычном F-15.
DARPA установило планку надежности на уровне современных истребителей, но реальность высокого сверхзвука диктовала другие правила. Опыт эксплуатации легендарного самолета-разведчика SR-71 Blackbird фирмы Lockheed, летавшего на схожих скоростях, показывал, что после каждого вылета самолет требовал недель обслуживания и тщательного поиска микротрещин. В проекте RASCAL же заявлялся 24-часовой цикл подготовки к повторному старту. Совместить экстремальный износ и суточную готовность в рамках бюджета в 750 тысяч долларов за полет оказалось практически невозможно.
Оперативность
Главный парадокс заявленной оперативности проекта заключался в том, что известный «один час до взлета», упомянутый в пресс-релизах DARPA, реально означал лишь время активации уже готовой к бою системы. На деле же подготовка миссии занимала гораздо больше времени.
По расчетам специалистов Centra Technology, полный цикл интеграции спутника, ракеты и самолета-носителя требовал не менее суток. Сначала полезную нагрузку соединяли с ракетой ERV и проверяли в стерильных условиях. Затем семитонную конструкцию аккуратно закатывали во внутренний отсек самолета-носителя и закрепляли на силовых узлах. Только после этого RASCAL мог ждать приказа в ангаре, готовый взлететь в течение 60 минут.
Однако самым слабым звеном концепции было обслуживание самолета. Инженеры рассчитывали, что MPV сможет вылетать каждые 24 часа, требуя лишь минимальной проверки и дозаправки. Но практика показала, что после интенсивных нагрузок самолет нуждался в глубокой проверке с использованием самых современных методов дефектоскопии. Для соблюдения суточного графика пусков военным пришлось бы иметь большой запас двигателей и множество техников.
Почему закрыли проект RASCAL
В 2005 году программу RASCAL закрыли. Несмотря на успешные испытания отдельных элементов, включая наземные тесты системы MIPCC, итоговые расчеты выявили фундаментальный изъян концепции. Приращение характеристической скорости, которое самолет обеспечивал ракете, оказалось несоразмерно малым по сравнению с финансовыми затратами на полет и содержание самого носителя.
Статистика системы выглядела следующим образом: при общей взлетной массе в 110 000 фунтов (49 895 кг) на долю ракеты ERV приходилось лишь 16 000 фунтов (7257 кг). Таким образом, почти 85% стартовой массы системы составлял самолет-носитель. В отличие от первой ступени обычной ракеты, которая почти на 90% состоит из топлива и «отдает» себя целиком для разгона полезной нагрузки, самолет был вынужден нести на себе десятки тонн пассивных конструкций. Крылья, шасси, системы жизнеобеспечения и герметичная кабина с пилотом — весь этот металл необходимо было поднять в стратосферу и разогнать до сверхзвука только ради того, чтобы обеспечить многоразовость системы.
Главная проблема заключалась в дефиците передаваемой скорости. Первая ступень классической наземной ракеты обычно разгоняет аппарат до 2–2,5 км/с, обеспечивая около четверти необходимой орбитальной скорости (которая с учетом потерь составляет около 9,4 км/с). Самолет RASCAL, несмотря на всю сложность маневра «динамическая горка», в точке разделения имел скорость всего 0,5–0,6 км/с. Это давало ракете лишь 6–7% от требуемого «бюджета скорости» для выхода на орбиту.
Для получения этого скромного бонуса требовалось эксплуатировать сложнейший специально скунструированный 50-тонный авиационный комплекс, заправляя его 20 тоннами керосина и специфическими хладагентами. Сравнение с классическими носителями показало: гораздо эффективнее добавить эти 5–7% скорости за счет небольшого увеличения баков обычной наземной ракеты, чем содержать уникальный парк сверхзвуковых самолетов. Элегантная идея воздушного старта в данном случае проиграла грубой, но эффективной логике вертикального пуска.
Какие идеи извлекли из проекта RASCAL
Закрытие проекта RASCAL не означало, что его идеи канули в лету. Напротив, он стал важной вехой в изучении предельных режимов работы турбореактивных двигателей. Наработки по системе MIPCC доказали, что обычный самолетный двигатель можно заставить работать на скоростях и высотах, которые ранее считались для него недостижимыми, расширяя температурный диапазон эксплуатации компрессора.
Главный урок RASCAL заключался в том, что «воздушный старт» со сверхзвукового носителя — это не универсальное средство экономии, а сложнейшая инженерная задача с очень низкой весовой отдачей. И хотя LauncherOne компании Virgin Orbit доказал техническую жизнеспособность дозвукового пуска, проект DARPA наглядно продемонстрировал: попытка «дожать» атмосферный носитель до предельных режимов ради небольшого выигрыша в характеристической скорости ракеты превращает систему из оперативного инструмента в слишком дорогой и рискованный аттракцион.
Сегодня, когда успех многоразовых вертикальных систем стал повседневной реальностью, история RASCAL напоминает нам: в космонавтике самый изящный путь не всегда оказывается самым коротким. А манящая идея «динамической горки» в стратосфере так и осталась красивой легендой эпохи поиска новых путей к звездам.
Ранее эксперт Pro Космоса Игорь Афанасьев объяснил разницу между космопланами и капсулами. Окончательно ли ушли в прошлое космические самолеты — разбирались здесь.
