Блогът на Даниел Марин

Идеята за изстрелване на космически ракети от самолет е доста стара. През последните десетилетия са замислени десетки проекти, способни да изведат спътниците в орбита с помощта на системи за въздушно изстрелване, но само Pegasus XL от северноамериканската компания Orbital успя да види светлината. И защо тази мания за този любопитен метод? Много просто, защото въздушните капки са доста елегантен начин за минимизиране на енергийните загуби на стартера. Нека да видим накратко как.

изстрелване

Когато изстреляме ракета в космоса, има няколко фактора, които наказват работата на превозното средство. Най-важното се дължи на гравитационните загуби, тоест енергията, която ракетата трябва да инвестира, за да напусне гравитационния кладенец на Земята. Колкото повече време отделяме за ускоряване на ракетата до орбитална скорост, толкова по-големи са загубите, поради което изстрелващите системи с по-голяма тяга в ранните етапи са по-ефективни. Като цяло ракетата губи между 1 km/s и 1,5 km/s в борба със земната гравитация, така че тя трябва да носи много повече гориво, отколкото би било необходимо, ако се ускорява от нула далеч от гравитационния кладенец. За да се намали този фактор, идеалното би било ракетата да остане на вертикална пътека за възможно най-кратко време и да приеме хоризонтално положение веднага щом излети, но това изискване влиза в конфликт с друг фактор като атмосферното триене.

И това е, че атмосферното триене е друг проблем, който трябва да се вземе предвид, въпреки че възниква любопитното обстоятелство, че по-големите ракети са по-малко засегнати от малките (триенето зависи от повърхността, но масата на ракетата зависи от обема). Въпреки факта, че атмосферното триене не води до много сериозни енергийни загуби (около 150 m/s), то принуждава ракетите-носители да бъдат проектирани по такъв начин, че да могат да издържат на топлината и напреженията, които възникват по време на преминаването през максимума динамично налягане (Max Q), изисквания, които водят до увеличаване на крайната маса на системата. За да се намалят загубите на енергия поради триене, ракетите следват вертикална траектория, докато оставят зад себе си по-голямата част от земната атмосфера и едва след това променят траекторията си, докато достигнат хоризонтала, по-ефективни, за да минимизират загубите, причинени от гравитационния кладенец на Земята.

Третият фактор за загуба на енергийна ефективност е този, причинен от изстрелване на ракета от база, разположена на географски ширини, различни от екватора. Идеалното при орбитално изстрелване е да се възползваме напълно от въртенето на Земята, за да увеличим полезния товар на превозното средство (освен ако не искаме да достигнем полярна орбита). И ако искаме да стигнем до геостационарна орбита (където е бизнесът за изстрелване на сателити), тогава сме изключително заинтересовани да се възползваме от това малко допълнително тласкане, което Земята ни предоставя. Ако излетим от екватора, можем да дадем на нашата ракета допълнителни 300-400 m/s.

Следователно, ако изстреляме ракета от дозвуков самолет на височина 10 километра, можем да намалим значително всички тези загуби. По-високата височина на изстрелване означава по-ниски гравитационни загуби, а по-ниската атмосферна плътност намалява рязко триенето (друго допълнително предимство на ниската плътност е, че дюзите на двигателите от първи етап могат да бъдат проектирани по-ефективно). Освен това самолетът може да изстреля ракетата от самия екватор, ако желаем, въпреки че в действителност можем да се възползваме от всяка възможна орбита. В този случай ограниченията са фокусирани върху наземната инфраструктура (станции за наблюдение, разпоредби за сигурност, летища на излитане и т.н.).

Тогава можем да разберем интереса към разработване на система от тези характеристики. В момента проблемът е да се намери подходяща изстрелваща площадка - тоест самолет -. Ракета може да бъде изстреляна отгоре или отдолу на самолета, или от подкрилна опора, но разбира се, освен ако нямаме чудовищен самолет, масата на нашата ракета (и нейният полезен товар) е сериозно ограничена от характеристиките на избрания самолет.

С други думи, системите за въздушно изстрелване са лесни за разработване, когато става въпрос за малки сателити с ниска орбита (LEO). Например Pegasus XL е способен да вложи 443 кг в LEO, използвайки дозвуков самолет Lockheed L-1011 TriStar като стартова площадка. Както вече отбелязахме обаче, бизнесът е в геостационарната орбита, а не в LEO. И така, как можем да изстреляме голяма ракета от въздуха? Идеалното би било да имаме гигантски свръхзвуков самолет (или още по-добре, хиперзвуков), който може да транспортира нашия стартер, но за съжаление няма такава система в експлоатация. Компанията Яковлев предложи през 90-те години проекта Диана-Бурлак, известен също като HAAL (High Altitude Aerial Launch), система, подобна на Пегас на Орбитал, но използваща свръхзвуков бомбардировач Туполев Ту-160 като платформа. Пътувайки на 1,7 Маха и 14 километра висок, Бурлак би могъл да постави 1130 кг в LEO. Което изобщо не е лошо, но все още е недостатъчно за геостационарния сателитен пазар. Руско-казахстанският проект Ишим Той също така обмисля изстрелването на ракети от модифициран МиГ-31, въпреки че в този случай говорим за малки микросателити.


Проект Ишим.

Следователно единственото рентабилно решение в краткосрочен план е да се съсредоточи върху самолетите, които в момента са в експлоатация. Благодарение на големия си размер и производителност, Антонов Ан-124 Руслан това е идеалният кандидат да служи като стартова площадка. Огромният товарен отсек на Ан-124 може да се използва за носене на ракета вътре. След като се достигне желаната височина, пусковата установка ще бъде пусната през задната врата на товара. Малко след това тя ще разположи парашут, за да стабилизира и забави спускането си, след което ще задейства двигателите си. И voilà, вече разполагаме с нашата система за излитане и кацане.

Тази система може да изглежда много по-малко ефективна от изстрелването на ракетата от стойка в самолета. И наистина е така, но не много по-малко. За да се възползва в пълна степен от предимствата на въздушното кацане, ракетата ще трябва да използва крила (като Pegasus XL) и ще трябва да излети при 25 ° с хоризонталата. По този начин той би имал предимство от около 490 m/s по отношение на конвенционалното излитане от земята. В случай на въздушна капка с парашут, предимството се намалява до 365 m/s. Тези цифри може да изглеждат скромни в сравнение с близо 8 км/сек, необходими за достигане на ниска орбита, но не трябва да забравяме ракетното уравнение. Тези допълнителни 365 m/s ни позволяват да проектираме много по-малък стартер за даден полезен товар.

Всъщност изстрелването на ракета от самолет с парашут не е нова концепция и още през 70-те години СССР и Съединените щати сериозно проучват възможността за реализация на тази система, въпреки че целта тогава е изстрелването на МБР, а не сателити.


Тест за разполагане на ракета Minuteman от C-5 през 1974 г. (USAF).

Но това е руската компания Vozdushni Start (Воздушен старт/Въздушно стартиране) този, който е най-близо до създаването на такава търговска система за изстрелване. Vozdushni Start популяризира идеята за използване на леко модифициран самолет Ан-124 (наречен Антонов Ан-124-100VS) за изстрелване на ракета от 1999 г. насам. Полиот от товарното отделение на уреда. Ракетата-носител ще има капацитета да постави 3900 кг в LEO или 650 кг в геостационарна орбита (или 1500 кг в геостационарна орбита за прехвърляне). Не много, вярно, но с достатъчно висок темп, системата може да бъде печеливша.