Блог Даніеля Маріна

Ідея запуску космічних ракет з літака досить давня. За останні десятиліття було задумано десятки проектів, здатних вивести супутники на орбіту за допомогою систем повітряного пуску, але побачити світло вдалося лише Pegasus XL від північноамериканської компанії Orbital. І чому ця одержимість цим цікавим методом? Дуже просто, тому що повітряні краплі - це досить елегантний спосіб мінімізувати втрати енергії пускової установки. Давайте коротко подивимося, як.

старт

Коли ми запускаємо ракету в космос, є кілька факторів, які карають експлуатаційні характеристики автомобіля. Найважливіше - через гравітаційні втрати, тобто енергію, яку повинна вкласти ракета, щоб вийти з гравітаційного колодязя Землі. Чим більше часу ми витрачаємо на прискорення ракети до орбітальної швидкості, тим більші втрати, саме тому пускові системи з більшою тягою на ранніх стадіях ефективніші. Взагалі, ракета втрачає від 1 км/с до 1,5 км/с, борючись із земною гравітацією, тому вона повинна нести набагато більше палива, ніж їй було б потрібно, якби вона прискорювалася з нуля від гравітаційної свердловини. Щоб зменшити цей коефіцієнт, ідеальним було б, щоб ракета залишалася на вертикальному шляху якомога коротший час і приймала горизонтальне положення, як тільки вона злетить, але ця вимога суперечить іншому фактору, такому як атмосферне тертя.

І саме те, що атмосферне тертя - це ще одна проблема, яку слід враховувати, хоча виникає курйозна обставина, що більші ракети зазнають меншого впливу, ніж малі (тертя залежить від поверхні, але маса ракети залежить від обсягу). Незважаючи на те, що атмосферне тертя не спричиняє дуже серйозних втрат енергії (близько 150 м/с), воно змушує пускові установки бути спроектовані таким чином, щоб вони могли витримувати тепло і напруження, що виникають під час проходження через максимум динамічний тиск (Max Q), вимоги, що призводять до збільшення кінцевої маси системи. Щоб зменшити втрати енергії внаслідок тертя, ракети йдуть по вертикальній траєкторії, поки не залишають за собою більшу частину атмосфери Землі, і лише потім змінюють свою траєкторію до досягнення горизонталі, більш ефективно мінімізуючи втрати, спричинені гравітаційною свердловиною Землі.

Третім фактором втрати енергоефективності є той, що викликаний запуском ракети з бази, розташованої в широтах, відмінних від екватора. Ідеальним варіантом орбітального запуску є повне використання обертання Землі для збільшення корисного навантаження транспортного засобу (якщо ми не хочемо досягти полярної орбіти). І якщо ми хочемо вийти на геостаціонарну орбіту (саме там знаходиться бізнес із запуску супутників), то ми надзвичайно зацікавлені скористатися цим невеликим додатковим поштовхом, який нам забезпечує Земля. Якщо ми злетим з екватора, ми можемо дати нашій ракеті додаткові 300-400 м/с.

Тому, якщо ми запускаємо ракету з дозвукового літака на висоті 10 кілометрів, ми можемо значно зменшити всі ці втрати. Більша висота запуску означає менші гравітаційні втрати, а нижча атмосферна щільність різко зменшує тертя (ще однією додатковою перевагою низької щільності є те, що форсунки двигунів першого ступеня можуть бути сконструйовані більш ефективно). Крім того, літак може запустити ракету з самого екватора, якщо ми хочемо, хоча насправді ми можемо скористатися будь-якою можливою орбітою. У цьому випадку обмеження зосереджені на наземній інфраструктурі (станції моніторингу, правила безпеки, аеропорти вильоту тощо).

Тоді ми можемо зрозуміти інтерес до розробки системи цих характеристик. В даний час проблема полягає у пошуку відповідної стартової площадки - тобто літака -. Ракета може бути запущена зверху або знизу літака, або з підкрилової опори, але, звичайно, якщо у нас немає жахливого літака, маса нашої ракети (та її корисного навантаження) серйозно обмежена характеристиками обраного літака.

Іншими словами, системи повітряного старту легко розробити, коли мова йде про невеликі супутники на низькій орбіті (LEO). Наприклад, Pegasus XL здатний покласти 443 кг в LEO, використовуючи дозвуковий літак Lockheed L-1011 TriStar як стартову площадку. Однак, як ми вже зазначали, бізнес знаходиться на геостаціонарній орбіті, а не на LEO. То як ми можемо запустити велику ракету з повітря? Ідеально було б мати гігантський надзвуковий літак (або ще краще, гіперзвуковий), який міг би транспортувати нашу пускову установку, але, на жаль, такої системи в експлуатації немає. У 90-х компанія Яковлева запропонувала проект Діана-Бурлак, також відомий як HAAL (повітряна пускова установка на висоті), система, схожа на "Пегас" Орбіталу, але використовує в якості платформи надзвуковий бомбардувальник Туполева Ту-160. Проїжджаючи 1,7 Маха та 14 кілометрів заввишки, Бурлак міг би помістити 1130 кг у LEO. Що зовсім непогано, але все ще недостатньо для ринку геостаціонарних супутників. Російсько-казахський проект Ішим він також передбачав запуск ракет із модифікованого МіГ-31, хоча в даному випадку мова йде про невеликі мікросателіти.


Проект Ішим.

Тому єдиним економічно вигідним рішенням у короткостроковій перспективі є орієнтація на літаки, які зараз експлуатуються. Завдяки своїм великим розмірам та продуктивності, Антонов Ан-124 Руслан це ідеальний кандидат на роль стартового майданчика. Величезний вантажний трюм Ан-124 можна використовувати для перенесення ракети всередину. Як тільки буде досягнута бажана висота, пускову установку скидатимуть через задні двері вантажу. Незабаром після цього він розгорнув парашут для стабілізації та уповільнення свого спуску, після чого запустив свої двигуни. І вуаля, ми вже маємо свою систему аеродрому.

Ця система може здатися набагато менш ефективною, ніж запуск ракети з підставки в літаку. І справді так, але не набагато менше. Щоб у повній мірі скористатися перевагами аеродрому, ракеті довелося б використовувати крила (як Pegasus XL) і злетіти при 25 ° з горизонталлю. Таким чином, вона мала б перевагу близько 490 м/с щодо звичайного зльоту з землі. У випадку з повітряною краплею з парашутом перевага зменшується до 365 м/с. Ці показники можуть здатися скромними у порівнянні з майже 8 км/с, необхідними для досягнення низької орбіти, але не можна забувати і про рівняння ракети. Ці додаткові 365 м/с дозволяють нам спроектувати набагато менший пусковий пристрій для даного корисного навантаження.

Насправді запуск ракети з літака за допомогою парашуту - не нова концепція, і вже в 70-х роках СРСР і США серйозно вивчали доцільність цієї системи, хоча метою тоді було запуск МБР, а не супутників.


Випробування на розгортання ракети Minuteman із С-5 у 1974 році (USAF).

Але це російська компанія Воздушний старт (Воздушный Старт/Повітряний запуск) той, який наблизився до створення такої комерційної системи запуску. "Воздушний старт" просуває з 1999 р. Ідею використання трохи модифікованого літака Ан-124 (з ім'ям Антонов Ан-124-100ВС) для запуску ракети. Поліот з вантажного відсіку приладу. Пускова установка могла розмістити 3900 кг на LEO або 650 кг на геостаціонарній орбіті (або 1500 кг на геостаціонарній орбіті передачі). Не багато, правда, але за досить високої швидкості випуску система може бути прибутковою.