Переправить груз вооружения через весь мир за полчаса — задача, кажущаяся невозможной. Однако наступает момент, когда фантастика становится реальностью. Как это сделать? Ответ раскрывается в выпуске «Naked Science».
Балборт садится, моторы гудят в тишине. Привёз патроны и динамит, для тебя и для меня.
Афганское небо стояло над аэродромом Баграма, словно продолжая нагретую взлетно-посадочную полосу. Рядом раскинулась площадка из горячих бетонных плит. Голубой воздух застыл над заснеженными отрогами Гиндукуша. Далеко в небе возникла яркая точка, появившаяся на западе как быстрорастущая звезда. Увеличиваясь и оставляя белый след, она снизилась, пройдя над Чарикарской «зеленкой» и известив о своем прибытии гулом. Через несколько секунд огромное, сверкающее на солнце вытянутое тело застыло на площадке в грохоте и клубах пыли. Большой, но недолгий путь завершен. Баллистический борт с оружием прибыл.
Суборбитальный путь
Движение в космосе вокруг Земли, когда тело не выходит из её гравитационного притяжения, происходит по замкнутым кривым – орбитам. Орбиты имеют форму эллипса согласно законам небесной механики. Дальнейшая от Земли точка эллипса называется апогеем, а ближняя к Земле – перигеем. От перигея тело поднимается до апогея и снова спускается к перигею, совершая полный оборот вокруг планеты.
Высота перигея ограничена необходимостью совершить полный оборот по орбите без помех. Чтобы это было возможно, перигей должен располагаться в космосе, как и вся остальная орбита. Можно задать множество орбит с перигеем ниже поверхности Земли, но такая орбита не обеспечивает полного оборота из-за невозможности полета в недрах планеты. Математически подземная часть такой орбиты верна, но на практике непроходима.
Верхняя часть орбиты, расположенная над поверхностью Земли, вполне реальна. У нее есть космический участок, проходящий по высотам более 100 километров, где условно разграничивают космос и атмосферу. Обычно это наиболее протяженный основной участок с точкой апогея наверху. Там, где орбита проходит через атмосферу, возникают два атмосферных участка, окаймляя собой космическую дугу. Вся надземная часть орбиты начинается и заканчивается точками на поверхности Земли, которые становятся точками старта и падения.
Движение тела по космической части орбиты с подземным перигеем подчиняется законам небесной механики. Такое орбитальное движение получило название суборбитальной траектории, а надземная ее часть – реальной. Атмосферные участки на подъеме и возврате в атмосферу дополняются аэродинамическими силами. Сила тяги двигателей может изменять движение тела на стартовом и конечном участках полета по суборбитальной траектории.
Человек давно освоил движение в суборбитальном пространстве, применяя его для научных, технических и прежде всего военных целей. Первые суборбитальные полеты, являвшиеся в данном случае просто вертикальным взлетом и спуском, совершил в 1944 году немецкий учёный Вернер фон Браун на ракете V-2 в ракетном центре Пенемюнде. Ракета достигла высоты 188 километров. Дальнейшее развитие баллистических ракет основывалось на широком использовании суборбитальных траекторий, что приводило к дальности ударов на межконтинентальном уровне и подъёму высотой от 1000 до 1300 километров.
Очень дальние ракеты
При дальности пуска баллистических ракет 12-15 тысяч километров скорость суборбитального движения боеголовок достигает семи километров в секунду, сравнимую со скоростью низкоорбитальных спутников. Это обеспечивает быструю доставку заряда к цели и затрудняет перехват боеголовки.
Скорость и надежность доставки – главные характеристики оружия. Именно ради этого освоена боевая суборбитальная баллистика в виде ракет. Все существующие сегодня баллистические ракеты являются оружием, которое несет боевой заряд или заряды. Этот статус сохраняется с момента создания баллистических ракет, в том числе и межконтинентальных, более 60 лет назад.
Подвижная ракета, летающая на орбите Земли, может служить для перевозки не только боеприпасов, но и людей.
По мере совершенствования баллистических технологий суборбитальная баллистика может найти применение в новых областях, например, в сфере транспорта. Межконтинентальные ракеты — дорогостоящие одноразовые средства, позволяющие быстро доставить небольшой груз практически в любую точку Земли.
Малая масса термоядерных зарядов по сравнению с мощностью позволяет сделать баллистические ракеты компактными и сравнительно небольшими по размерам по сравнению с космическими носителями. Стратегические боевые задачи оправдывают значительные затраты на производство и эксплуатацию таких боевых средств, обладающих уникальной военной мощью.
Возможно создать ракету, способную по суборбитальной траектории доставлять значительно больше груза, до многих десятков тонн. Но для этого нужны соответствующие предпосылки. Срочность доставки, превышающая все существующие виды транспорта по скорости, может быть оправдана военной необходимостью, которая часто выходит за рамки гражданских причин. Одновременно суборбитальный транспорт должен стать менее затратным в производстве и эксплуатации – тогда создадутся условия для многотоннажной транспортировки.
80 тонн и их доставка
Кажется, для этого подходят сегодняшние обстоятельства. В октябре 2020 года новости о договоре распространились в СМИ. SpaceXИлон Маск сотрудничает с тексасской компанией по аэрокосмическим технологиям. Exploration Architecture Corporation, или ХArc,Заключено соглашение с Министерством обороны США о проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию баллистической ракеты большой грузоподъемности, способной доставить до 80 тонн военного груза, в том числе оружия и боеприпасов, на расстояние порядка 15 тысяч километров. В рамках контракта планировались демонстрационные испытания уже в 2021 году.
По утверждению главы Транспортного командования США генерал-лейтенанта Стивена Лайонса Stephen LyonsРакета должна перевезти груз весом в 80 тонн с космодрома на мысе Канаверал во Флориде на американскую военную базу в Баграме (Афганистан). Расстояние между ними примерно 14 170 километров (зависит от стартовых площадок во Флориде). Путь по прямой траектории преодолевается за менее чем 50 минут.
80 тонн эквивалентны железнодорожному вагону (75 тонн) с перегрузом в пять тонн, что на пару тонн больше максимальной загрузки главного военно-транспортного самолета США Boeing C-17 Globemaster III. Этот дозвуковой самолет со скоростью около 850 км/ч преодолеет такой путь не за 15 часов, как сообщали некоторые источники, а гораздо дольше. Это связано с тем что маршрут будет проходить по отведенным ему проходам в национальных воздушных пространствах, а не по ортодромии – кратчайшему пути на поверхности Земли между точками старта и назначения. Время полета также увеличится из-за облета грозовых фронтов и действия встречного и бокового ветра.
Заатмосферная грузоперевозка совершает кратчайший путь по прямой траектории, её на земной поверхности будет ортодромией. Такой способ доставки не нуждается в разрешениях государств для пролёта их воздушного пространства, не подвергается ветровым сносам и дополнительным расходам топлива, избегает грозовых фронтов, остающихся внизу на сотни километров.
Высотная составляющая и скорость движения обеспечивают баллистическому транспорту защиту от систем ПВО на большей части траектории полета за пределами атмосферы, что важно для военных поставок.
Выбор общей схемы
Многоразовая суборбитальная транспортная ракета будет полететь на базе двух принципов: экономической выгоды многократных запусков одного баллистического борта и роста практики повторного использования в действующих и будущих проектах Илона Маска.
Повторное использование ракеты предполагает мягкую посадку в пункте назначения и возможность возврата в исходную точку. Это, в свою очередь, влечет за собой необходимость частичной дозаправки ракеты на месте назначения. Для перелета на сравнительно небольшое расстояние в соседний регион возможно использовать частичную заправку ракеты, где обеспечена достаточная топливная емкость для возвращения во Флориду и оперативное техническое обслуживание между полетами.
Вопрос топлива также важен. Скорее всего, будут использоваться метан-кислородные двигатели, которые позволят удешевить заправку ракеты. Метан широко распространен в плане транспортировки, а кислород можно добывать в любом месте из воздуха, построив мобильный комплекс по сжижению атмосферного кислорода. С учетом приближающегося начала эксплуатации метан-кислородных двигателей такая пара топлива наиболее вероятна.
Полет баллистического борта
Вероятно, это станет крупной одноступенчатой конструкцией с вертикальным запуском. Работа двигателей в течение трёх-четырех минут завершится на высоте 60-80 километров с формированием района входа в атмосферу на большой межконтинентальной дальности. Основная часть суборбитального полёта, скорее всего, не будет иметь неожиданностей. Траектории будут оптимизированы прежде всего по энергии и не покажут специфических черт движения современных боевых межконтинентальных баллистических ракет (в виде специальной настильности траектории или маневрирования на активном участке). Иными словами, транспортная суборбитальная баллистика повторит баллистическое движение первых боевых межконтинентальных ракет, то есть просто баллистику с минимально необходимой энергией для достижения заданной дальности.
Вход в атмосферу и посадка станут наиболее интригующими этапами. Все полученное количество энергии, потенциальная (высоты) плюс кинетическая, потребуется погасить. Это возможно делать как с помощью двигателей, так и аэродинамически, силой сопротивления воздуха. На каждом пути встретятся свои трудности.
В то время как боевые ракеты остаются нетронутыми при входе в атмосферу, данный объект вынужден сжечь всю полученную энергию.
В момент входа в атмосферу аэродинамика проявляется как силовые и тепловые нагрузки. На больших расстояниях скорость может достигать числа Маха М=20, что приводит к сильному сжатию набегающего потока поверхностями аппарата (в десятки раз). Такое сжатие повышает температуру газа до нескольких тысяч градусов.
При плотной прижатости к корпусу аппарата горячий газ нагревает его. Поэтому для наружных частей конструкции необходимы теплозащитные решения и материалы, обладающие жаростойкостью и жаропрочностью.
Влияние потока на силу распределяется по трем аспектам. Высокое внешнее давление сжимает обшивку и может привести к ее деформации. Устойчивость конструкции под такой нагрузкой важна, так как потеря устойчивости влечет за собой повреждение. Необходим запас прочности корпуса с усилениями внутренними элементами (лонжеронами, шпангоутами и переборками), что усложняет и увеличивает массу конструкции.
Часть аэродинамических сил будет переменной, создавая различные вибрации. Это потребует укрепления силовых, электрических, гидравлических и прочих соединений. Также необходим расчет конструкции ракеты на стойкость к вибрациям, анализ резонансов и предотвращение их развития до разрушающих уровней.
Третий фактор воздействия набегающего потока — перегрузка. В технике это состояние длительного ускорения, но с отрицательным знаком – торможения. Перегрузка создает дополнительную нагрузку на элементы конструкции там, где нет прямого действия сжатого потока. Вес любого элемента на борту ракеты увеличивается под действием перегрузки, как и давление его на нижележащие части конструкции. Давления жидкостей в нижних частях баков и трубопроводов возрастают, возникают изгибающие моменты в протяженных оболочках и конструктивных элементах. 80 тонн груза при двухкратной перегрузке будут весить уже 160 тонн, при трехкратной – 240 тонн, при четырехкратной – 320 тонн. Это уже полностью нагруженный скальной породой карьерный БелАЗ, а не какой-то там вагон. Груз не должен проломить своим кратно выросшим весом переборки или крепления, на которых он расположен. Обеспечение работы в перегрузке всех силовых элементов, агрегатов и систем ракеты добавит массу конструкции.
Вход в атмосферу ракеты для запуска на орбиту будет организован с малыми перегрузками, что позволит избежать существенного увеличения массы её конструкции. Но как это реализовать?
Перегрузка торможения в атмосфере зависит от скорости и плотности воздуха, а также конструктивных и динамических факторов: формы ракеты, её баллистического коэффициента на разных скоростях и ориентации к потоку воздуха. Угол входа в атмосферу задаёт сочетание скорости полета и плотности воздуха. С пологим углом входа самые высокие начальные скорости долгое время сохраняются в верхних слоях атмосферы, где силовое воздействие невелико, плавно и постепенно тормозя ракету. Так она подходит к плотным слоям атмосферы с уже сниженной скоростью, предотвращая резкое увеличение перегрузки.
Решаем все вопросы с динамикой полета
Угол входа в атмосферу формируется траекторией и ее энергетической эффективностью. Из-за этого угол входа не подлежит значительным корректировкам. Уменьшить скорость входа можно с помощью двигателей, что позволит замедлиться до подхода к атмосфере, снижая скорость входа и давая воздуху больше времени для взаимодействия с аппаратом. Это уменьшит вес конструкции, потребную прочность и массу теплозащиты. В то же время, увеличится запас топлива для торможения, которое придется перевозить с самого начала, разгоняясь на старте большим количеством топлива.
Какой фактор окажет большее влияние на эффективность гашения скорости: масса топлива или масса теплозащиты?
Какому из этих факторов отдать предпочтение и сколько выделить для решения задачи торможения – вопросы совершенства двигателей и теплозащиты. Вернее, вопросов распределения ролей между ними. Ясно, что часть гашения скорости возьмет на себя аэродинамика ракеты, а часть – работа двигателей и запас топлива для них. Как оптимально распределить массу (теплозащиты и топлива), обеспечивающую торможение в нужном режиме?
Сперва разрабатывают полёты, а потом по итогам этих данных строят корабли.
Определение точных параметров взаимодействия будет результатом сложной работы специалистов разных групп, занимающихся созданием ракеты. В итоге будет разработан алгоритм, определяющий моменты и степень торможения корпусом (в том числе его ориентацию относительно потока), а также моменты включения двигателей, их продолжительность и количество циклов. Специалисты по динамике полета, комбинируя работу двигателей и аэродинамическое торможение, обеспечат допустимый уровень перегрузок на борту и сохранят тепловое и силовое воздействие на ракету в рамках установленных пределов.
Пропустим описание конфигураций ударных волн, формирующихся вокруг ракеты при сверхзвуковом полете в плотных атмосферных слоях. Сфокусируем внимание на обзоре органов управления полетом и их эффективности, а также на оценке компонентов бортовой системы управления полетом. Не будем углубляться в маневрирование на участке полета в атмосфере, включая развороты с глубоким креном, как у космического корабля Шаттл. Хотя эти темы тоже заслуживают внимания.
Важно отметить, что прицеливание на снижении не должно совпадать с точкой посадки. Неисправности техники всегда возможны, особенно у такой сложной системы, как тяжелая суборбитальная ракета. В случае аварии на финальном этапе полета ракета развалится не на посадочной площадке, избегая повреждения ее и находящихся поблизости сооружений и техники. А упадет в безопасное место, предварительно рассчитанное по траектории прицеливания. Последними километрами возможно будет управляемое парашютирование корпусом, подобно тому, как демонстрируют испытания посадки ракеты «Старшип».
Основной участок полета пройден, посадочная площадка близка. Производятся контрольные проверки движения, остатков топлива и массы, готовности бортовых систем. Ракета изменяет траекторию, переводя точку приземления на площадку. Подключаются линии связи с наземным оборудованием. Активируются опоры и двигатели в режиме мягкого касания. Шум реактивных струй утихает, пламя из сопел исчезает. Оперативная проверка систем выдаёт «окей». 80 тонн груза доставлены, началась разгрузка вагона. Пара гроздей кокосов, собранных два часа назад на флоридском побережье, вызывают смех и шутки здесь, на авиабазе Баграм недалеко от Кабула, в северо-западном Афганистане, в сердце Азии.
Другая схема доставки? Тоже можно!
Посадку ракеты можно осуществлять вблизи стартовой позиции, как делают ступени Falcon 9.
В этом случае не так важно выполнение процедуры посадки деталей ракеты. Главное – отпадает необходимость в новой заправке на месте назначения и обратном перелёте на межконтинентальную дистанцию для возвращения на космодром. Это экономит ресурс транспортного средства – двигателей и всех остальных бортовых систем, что продлевает срок его эксплуатации.
При соблюдении принципа многократного использования ракета может лишь ускорить большой грузовой корабль к нужному региону, одновременно вернувшись на стартовую площадку.
При такой конфигурации доставки груза на место назначения доставляется только небольшая и компактная часть ракеты, содержащая заданные 80 тонн оружия, боеприпасов или другого военного груза. Из-за компактности забрасываемой части в ракете не хватит места для криогенных компонентов топлива, неплотных и требующих бортовых объемов. В торможении на первом месте окажется аэродинамика. Угол входа в атмосферу будет задан энергетической оптимальностью основной баллистики, которая потребует набора большой высоты для достижения большой дальности. Вход в атмосферу не будет пологим, превратившись в крутую горку с большими перегрузками при входе в воздух. Придется искать новые эффективные решения.
Мы отмечали, что «человек освоил суборбитальное движение для исследовательских, технических и боевых задач». Что это за технические задачи такие? Это техника посадки космических аппаратов. Пилотируемые спускаемые аппараты переходят тормозным импульсом двигателя на суборбитальные траектории и растягивают свое торможение по верхним слоям атмосферы, снижая уровень перегрузок. Делают это за счет аэродинамической подъемной силы: располагая под требуемым углом атаки свой корпус в гиперзвуковом потоке и создавая преобладающее сжатие потока снизу аппарата.
Как сыграть с атмосферой
Капсуле ракеты с 80-тонным грузом необходимо стать аэродинамически активным аппаратом, создающим подъемную силу. Капсула может изменить угол атаки, подобно спускаемому аппарату корабля «Союз». Однако 80 тонн груза обладают большой инерцией, поэтому изменять траекторию их снижения в более горизонтальную не так просто, особенно в верхних слоях атмосферы, где аэродинамические силы слабы. Для этого нужны развитые крылья. Выдвижные и раздвижные крылья широко используются у различных летательных аппаратов – от ракет и бомб до самолетов разных типов, включая Ту-160. Возможно, пришло время ввести выдвигаемые крылья в суборбитальную баллистику. На сверхвысоких скоростях начала входа в атмосферу такие аэродинамические плоскости были бы эффективны.
Вопрос о тепловом воздействии на крылья, их работе и сохранении в экстремальных условиях, конечно, встанет. Но здесь тоже возможны разные решения.
Зачем сохранять крылья? Возможен вариант обгорания, переводящий снижение в кардинально более пологое. Такое поведение полностью выработает ресурс крыльев. Тогда их сбрасывают, а взамен выдвигаются новые. Ведь на таких скоростях крылу не нужно быть большим и размашистым – гиперзвук высоких значений числа Маха создает огромные силы на очень маленьких площадях. Может быть, нужную силу создадут короткие жесткие плоскости, как у служебного отсека Crew Dragon?
Аэродинамика обеспечит максимально пологий режим снижения многотонной капсулы с грузом, где атмосферу придадут главную роль. В этом сценарии будет использоваться как можно более продолжительное гиперзвуковое планирование, переходящее в сверхзвуковое. Гиперзвуковое маневрирование, применяемое для боевых систем с зарядом, дополнится транспортным гиперзвуковым планированием – также с оружием на борту, но только в качестве груза для пользователей. Задача – не планерное перемещение на боевую дистанцию, а правильное торможение.
При снижении дозвуковой скоростью многотонная капсула перейдет к управляемым транспортным парашютным системам вблизи земли. Опускание на парашютах 80 тонн единой массой – пока нерешенная задача, как и вся суборбитальная транспортная баллистика. Транспортные парашютные системы интенсивно развиваются. Вероятно разделение капсулы на модули меньшей массы или приземление всей капсулы на парашютах, в зависимости от боевого груза. В этом случае процесс аналогичен десантированию бронетехники и платформ с десятитонными грузами с самолетов. Возможна специализация под переброску целого подразделения бронетехники с боекомплектом и топливом.
Поезда небесных вагонов
После запуска по данному сценарию многоразовая баллистическая система отправки — суборбитальная ракета — не покинет границы своего государства и вернется на стартовую позицию в ходе пуска или путем недорогих наземных или морских перевозок. Военный груз массой 80 мешков, небесный вагон, продолжит свой путь по баллистическим суборбитальным рельсам. Он достигнет географического района доставки и приземлится в назначенной точке. В дальнейшем разбор корпуса капсулы и ее парашютных систем, подобно обычной авиадесантной технике, будет использоваться повторно.
В настоящее время фаворитом крупнотоннажного суборбитального транспорта является Starship компании SpaceX, разработка которого ведется с необычайной для техники такого масштаба скоростью. ХArc, партнер SpaceX по проекту тяжелой транспортной ракетной системы, занимается наземной частью проекта: стартовой и посадочной площадками, загрузкой-выгрузкой борта, заправкой, посадочным навигационным оборудованием. ХArc представила изображение разгрузки баллистического борта после приземления в джунглях. Тяжелые квадрокоптеры выгружают прибывший груз воздушным способом. Вдали легко узнаются Starship, прибывшие и взлетающие борты.
Результаты разработок по этому контракту SpaceX не раскрываются. Вероятно, результаты обнадеживающие. По этой причине в 2021 году транспортное военное ведомство США увеличило свой бюджет. В прошлом году ВВС США официально запустили программу. Rocket CargoВ бюджете на 2022 год предусмотрено развитие проекта баллистического крупнотоннажного транспорта. 28 мая 2021 года ВВС опубликовали стандартные бюджетные обоснования на 2022 год, где прописаны планы расходования средств. В документе (часть 2, стр.305) указано увеличение грузоподъёмности до 100 тонн и рост финансирования разработки в пять раз – с 9,7 до 47,9 миллионов долларов.
В июне 2021 года ВВС США опубликовали пресс-релиз, сообщив о включении программы Rocket Cargo в состав Vanguard, портфеля ключевых научно-технических стратегий на ближайшее десятилетие. Программа получила статус четвертой составляющей. Это повышение статуса проекта транспортной баллистики повлечет за собой выделение значительно большего количества ресурсов для его реализации.
Мы наблюдаем за рождением нового типа суборбитальной баллистики – военно-транспортного. Основой станет разработка техники для осуществления подобных полетов. Выбранный сценарий доставки определит конструкцию транспортной системы, а технологический уровень – внешний вид материальной части. Сложность и цена такого решения покажут, насколько широко будут применяться и развиваться такие системы.
Работают ли первые летающие образцы столько же лет, сколько первая космическая ракета? Появится ли флот многоразовых транспортных баллистических бортов? Как организуются их полеты и расширятся возможности? Возникнет ли новая тактика применения и род войск? Как интегрируется этот вид с остальными военными силами и делами? Ответы даст будущее, начинающееся сейчас.