В этот день… №3-20 (11-20 мая)
В истории техники очень важен вопрос приоритета. Очень часто то, что сегодня считается обычным, ещё вчера было делом несбыточным. И тем, кто был первым, чаще всего доставались не лавры победителей, а совсем другие растения. Примером тому может быть история «коммерческого космоса».
11 мая 1881 года — родился Теодор Карман (Theodore Kármán, Австро-Венгрия, США).
Теодор Карман родился в Будапеште, вырос в Венгрии, где окончил Королевский технический университет в 1902 году. Затем, после переезда в Германию, он стал учеником Людвига Прандтля в Геттингенском университете, где и получил докторскую степень в 1908 году.
Карман преподавал в Геттингене четыре года, а с 1913 по 1930 год был профессором и директором Аэродинамического института при университете Аахена, с перерывом на военную службу во время первой мировой войны. С 1915 по 1918 год он возглавлял исследовательский отдел военно-воздушных сил Австро-Венгрии.
С 1922 по 1928 год работал консультантом в фирмах «Юнкерс» и «Цеппелин».
В 20-е годы Карман читал лекции в научно-исследовательских центрах США, а в 1927 г. — в Японии, Китае, Индии. В 1930 году принял приглашение Калифорнийского технологического института и стал основателем и директором институтской лаборатории воздухоплавания (Гуггенхеймская аэронавтическая лаборатория). В 1933 году, после известных событий, он расстался с нацистской Германией, а в 1936 году получил американское гражданство.
Карман был одним из основателей компании Аэроджет (Aerojet, 1942 г.), производившей ракетные двигатели, и всемирно известной Лаборатории реактивного движения JPL (Jet Propulsion Laboratory, 1944 г.). Первым руководителем, добившимся для неё денег, расположения военных, оборудования и строений, был Теодор Карман.
Аэроджет известна сегодня ЖРД для КК «Аполлон», для первой и второй ступеней РН «Титан», второй ступени РН «Дельта-IV», системы орбитального маневрирования КК «Спейс Шаттл» и многих других. Лаборатория реактивного движения — передовая организация по разработке КА для исследования дальнего космоса — «Викинг», «Вояджер», «Магеллан», «Галилео», а также первого американского ИСЗ.
В 1945 году Карман был назначен председателем научно-технической коллегии ВВС США, позже преобразованной в главное научно-техническое управление. Он возглавлял американские технические миссии в Германии по изучению достижений этой страны в области сверхзвуковой аэродинамики и управляемых ракет.
Работы Кармана относятся к сферам теоретических и экспериментальных исследований в аэро-, термо- и гидродинамике; прочности авиационных конструкций и материалов; теории пластичности и упругости; сопротивлению материалов. Он также разработал ряд математических методов прочностных расчётов.
Кроме того, им была рассчитана, а затем названа его именем линия Кармана — принятая Международной федерацией аэронавтики условная граница между земной атмосферой и космическим пространством (100 км).
По его инициативе в 1960 году была основана Международная академия астронавтики — организация, объединяющая ведущих учёных и инженеров, работающих в области космических исследований. Карман был первым президентом (1960-1961 гг.) академии астронавтики, консультантом ряда крупных аэрокосмических фирм, членом многих иностранных академий и научных обществ.
Умер он во время поездки в Аахен (Германия) 6 мая 1963 года в возрасте 82 лет. Похоронен в Пасадене, Калифорния.
17 мая 1959 года — подписан эскизный проект планирующего космического аппарата П. В. Цыбина (СССР).
Практически одновременно с США, где ВВС и НАСА начали разработку проекта ракетоплана «Дайна Сор», в СССР рассматривались проекты крылатых пилотируемых аппаратов, разрабатываемых в авиационных КБ — ОКБ-256 П. В. Цыбина и ОКБ-23 В. М. Мясищева.
Эскизный проект планирующего КА для спуска с орбиты и посадки на Землю был разработан в ОКБ-256 по просьбе С. П. Королёва и утверждён П. В. Цыбиным.
Пилотируемый КА должен был выводиться на круговую орбиту ИСЗ высотой 300 км РН «Восток». После орбитального полёта в течение 24-27 ч КА должен был сойти с орбиты и возвратиться на Землю, планируя в плотных слоях атмосферы. В начале спуска, в зоне интенсивного теплового нагрева планирующий аппарат использовал подъёмную силу несущего корпуса оригинальной формы. Именно из-за этой формы С. П. Королёв дал КА название «Лапоток». После снижения скорости до 500-600 м/с, с высоты 20 км аппарат должен был планировать с помощью раскрывающегося крыла, первоначально сложенного «за спиной». Управление КА должно было осуществляться с помощью реактивных сопел и аэродинамических поверхностей управления.
Время спуска с орбиты ИСЗ могло составлять 1,5 ч. Посадка должна была выполняться на специальную грунтовую площадку с использованием лыжного шасси «велосипедного» типа — сначала на заднюю лыжу, а затем на переднюю.
Фюзеляж КА имел стальную обшивку, прикреплённую сваркой к силовому набору. От нагрева фюзеляж защищал донный металлический экран, установленный с зазором 100 мм. Носок фюзеляжа и передние кромки аэродинамических поверхностей, изготовленных из стали, предполагалось охлаждать, причём рассматривалась возможность применения для этого жидкого металла — лития. По расчётам максимальная температура наиболее нагретых элементов конструкции (передней части теплозащитного экрана и кромок рулей) могла достигать 1200°С в отличие от верхней части фюзеляжа, где ожидаемая температура не превышала бы 400°С. Сложенные стальные консоли крыла, находящиеся в аэродинамической тени фюзеляжа при планировании КА с углом атаки 55-60°, в зоне максимальных тепловых потоков на гиперзвуковых скоростях не должны были подвергаться большому нагреву.
Внутри фюзеляжа размещались герметизированная кабина космонавта и приборный отсек, выполненные из алюминиевого сплава и защищённые теплоизоляцией. Космонавт располагался перед приборной панелью в катапультном кресле, имеющем три положения — стартовое, рабочее и для отдыха. Кабина имела систему жизнеобеспечения, два боковых иллюминатора и прибор для астроориентации.
В приборном отсеке и непосредственно в фюзеляже размещалось оборудование, необходимое для осуществления орбитального полёта и спуска. Для маневрирования на орбите КА имел навесную двигательную установку, примыкающую к донному щиту фюзеляжа и закрытую обтекателем.
Двигательная установка состояла из топливных баков, системы подачи топлива и двух ЖРД — тормозного и корректирующего. После выдачи тормозного импульса для схода с орбиты, двигательная установка отделялась от КА на высоте 90 км. Для ориентации «Лапотка» на орбите и при входе в плотные слои атмосферы были предусмотрены реактивные сопла, работающие на продуктах разложения перекиси водорода. В плотных слоях атмосферы действовали рулевые аэродинамические поверхности.
При аварии РН на высоте до 10 км космонавт мог катапультироваться из кабины КА. На больших высотах КА аварийно отделялся от РН, после чего раскрывались консоли крыла и производился планирующий спуск на Землю.
С. П. Королёв был в курсе всех работ ОКБ-256 по планирующему КА. От ОКБ-1 в работах принимали участие проектанты по КА и РН. Кроме того, к работам были подключены коллективы ЦАГИ и ВИАМ.
После начала работ по КА в ЦАГИ выяснилось, что проблемы, встающие перед создателями крылатых КА, гораздо серьёзнее, чем было принято считать. В частности, только после продувок в аэродинамических трубах стало ясно, что тепловые нагрузки на теплозащитный экран значительно превосходят расчётные и материал экрана надо будет менять, а узел шарнира поворота консолей крыла на самом напряжённом участке спуска находится в «застойной» зоне с повышенным подводом тепла и практически полным отсутствием теплоотвода. Требовались более детальные проработки проекта с моделированием реальных условий полёта на аппаратах-аналогах.
По этим причинам для первого КК «Восток» была выбрана схема с баллистическим СА как более простая, надёжная и требующая наименьших затрат при экспериментальной отработке.
В 1960 году ОКБ-256 было закрыто. Главный конструктор Павел Владимирович Цыбин перешёл на работу в ОКБ-1 заместителем С. П. Королёва, где внёс большой вклад в разработку и создание модификаций КК «Восток», новых КК «Союз» и «Союз Т», а также АМС и спутника связи «Молния». Материалы по «Лапотку» были переданы С. П. Королёвым в ОКБ А. И. Микояна, где в это время начались работы по воздушно-космической системе «Спираль».
18 мая 1977 года — начало лётных испытаний ракеты акционерного общества ОТРАГ (OTRAG).
В 70-е годы ХХ века случилось важное и, как принято говорить, судьбоносное событие. Впервые с начала космической эры, в «большой космический клуб», помимо отдельных государств и объединений стран, пытался вступить «частник».
Лутц Кайзер (Lutz Kaiser) — в своё время студент Эйгена Зенгера (Eugen Sanger), крупнейшего баллистика III Рейха и изобретателя межконтинентального бомбардировщика- «антипода» (обзор №2-33 21–30.09.2017) — выдвинул концепцию дешёвых модульных ракет-носителей. Он основал акционерное общество OTRAG (Orbital Transport und Raketen-Aktiengesellschaft) со штаб-квартирой в Штуттгарте, ФРГ, и привлёк к сотрудничеству ряд специалистов, в т.ч. Курта Дебуса (Kurt Debus), специалиста из «команды» Вернера фон Брауна, который на пике своей карьеры являлся руководителем американского Космического центра имени Дж. Ф. Кеннеди.
Семейство РН OTRAG было задумано как связка унифицированных ракетных модулей. Единичный модуль включал топливный бак диаметром 0,3 м (с окислителем — азотной кислотой или горючим — керосином) и ЖРД тягой 29430 Н. Система подачи — вытеснительная (сжатый воздух). Каждая ступень состояла из некоторого числа модулей, объединённых в пары: один модуль — с окислителем, другой — с горючим. Расположение ступеней параллельное — концентрическими «слоями». Первая ступень — внешний «слой», последняя — внутренний. При отделении ступени сбрасывается очередной «слой». Согласно проекту, в зависимости от потребных энергетических характеристик варьируются число ступеней (до шести), число блоков (до 600) и длина каждого блока (до 40 м). Обечайки баков изготавливаются из нержавеющей стали (на автоматической установке подобно трубам), днища — из алюминиевого сплава. Управление полётом — путём дросселирования тяги части двигателей. Трёхпозиционные клапаны на каждом ЖРД, связанные с вычислительным устройством, могут обеспечить работу на номинальной тяге, на 50% номинальной тяги или выключение в полёте. Вычислительные устройства работают в комплексе с инерциальной системой управления РН.
Стартовый комплекс ракеты — разборный, рассчитанный на транспортировку самолётом.
Предполагался «быстрый» ввод в эксплуатацию РН OTRAG-200, способной вывести на орбиту ПГ массой до 200 кг. Диаметр этой ракеты составлял 1,5 м, длина — около 20 м.
Далее должна была начаться эксплуатация носителя OTRAG-2500 (ПГ до 2500 кг). Диаметр этой ракеты достигал 4 м, длина — 27 м.
В конце концов планировалось создать OTRAG-10000 для доставки 10 т на низкую орбиту или 2 т — на геостационарную. Эта ракета при стартовой массе 1000 т и стартовой тяге 1300 тс должна была иметь длину 30-35 м и поперечный размер около 8 м.
Для лётных испытаний РН в декабре 1975 г. был создан полигон в Заире. В мае 1977 и июне 1978 г. здесь были проведены пуски экспериментальных одноступенчатых ракет, каждая из четырёх модулей. При первом пуске изделие поднялось на высоту 20 км, при втором — на 30 км. Третий пуск посетил диктатор Заира Мобуту (Mobutu). Но тут сказался «генеральский визит-эффект» — пуск был аварийным.
Уже в 1978 г. капитал «предприятия» достигал 76 млн. марок, потребные поступления за пять лет оценивались в 500 млн. марок, и деньги продолжали прибывать — при этом число акционеров перевалило за тысячу! По сведениям французской газеты Monde, даже правительство ФРГ поддержало деятельность объединения OTRAG и до 1974 г. предоставило ему субсидии на общую сумму 6 млн. марок.
В 1978 г. Был создан парижский филиал объединения, получивший наименование OTRAG-FRANCE. Его задачи: «НИР в области вывода спутников на орбиту» (Л. Кайзер).
Первоначально основные элементы экспериментальных ракет OTRAG изготавливались в небольшой мастерской в Штутгарте. В дальнейшем планировалось строительство завода с численностью персонала ~2000 человек для серийного производства модулей РН. Президент акционерного общества Лутц Кайзер в июне 1978 г. заявил, что ведутся переговоры с семью странами, в том числе с Бразилией, о создании на их территории такого завода, а также полигона для запусков ракет OTRAG. Но…
Программа разработки «простых и дешёвых» РН OTRAG встретила жёсткое противодействие со стороны США. А поскольку «священное» право частной собственности не позволяло просто прихлопнуть «дело», был задействован план его постепенного удушения.
Сначала правительство ФРГ приняло решение, по которому на вывоз из страны продукции объединения OTRAG каждый раз требовалось специальное разрешение. Как сообщало западногерманское агентство DPA, «правительство делает всё, чтобы отмежеваться от этой деятельности, подчёркивая, что OTRAG — чисто коммерческое предприятие».
Потеряв поддержку на родине, Кайзер обратился за «государственным флагом» (т.к. считалось, что космические объекты не может запускать частное лицо или компания) сначала к Заиру, затем к Ливии и даже к нейтральной Швеции.
Но «длинные руки» сильных мира сего, финансовые трудности и неблагоприятные стечения обстоятельств преследовали его повсюду.
В апреле 1979 г., вследствие политических изменений в стране, правительство Заира расторгло договор с обществом OTRAG.
«Независимые» ракетчики перебрались в Ливию. Лидер страны Муамар Каддафи (Muamar Gadafi) был не против разработки подобной «потенциально полезной» техники. Пуски ракет (в «моноблочном» исполнении, с одним модулем, оснащённым двигателем) проводились на полигоне Тавива (оазис Шеба в пустыне Сахара), в 600 км от г. Триполи. С марта 1981 г. по декабрь 1982 г. ракеты стартовали более десятка раз. Сведения о достигнутых результатах крайне противоречивы.
Конгломерат политических, финансовых и все прочих проблем в очередной раз обрушился на OTRAG — и полигон в Ливии пришлось оставить.
Последний старт (аварийный) ракеты OTRAG состоялся с шведского полигона Кируна в сентябре 1983 г.
Американцы «перекрыли кислород» повсеместно, а противостоящий им СССР примитивные ракеты «из водопроводных труб» не интересовали. «Удушение» состоялось. Разработанные технологии и оборудование были куплены некоей «неизвестной компанией», и в 1986 г. акционерное общество OTRAG прекратило свою деятельность.
Концепция модульной РН, предложенная Лутцем Кайзером, имеет свои преимущества и недостатки.
Итак, преимущества. Во-первых, декларировалась максимальная унификация и стандартизация конструкции РН и технологии производства. Во-вторых, максимальная дешевизна. Одна автоматическая установка могла выпускать до 10 топливных баков в сутки. Двигатели имели исключительно простую конструкцию из недефицитных материалов. Единственными движущимися частями единичного модуля являлись два шариковых клапана подачи топлива в ЖРД. Отсутствовал ТНА, «весивший» до 45% стоимости двигательной установки. И, в-третьих, использование азотной кислоты и керосина — топливной пары, стоимость которой невысока.
А теперь недостатки. РН с четырьмя «слоями», включая центральный блок, будет иметь 38 модулей, а с пятью «слоями» — уже 64! Самое «вредное» свойство данной концепции таково, что, если хотя бы один модуль не сработает, ракета, по-видимому, выйти на орбиту не сможет.
Если принять надёжность единичного модуля 95%, то для РН с пятью «слоями» общая надёжность составит около 4%. С 99%-ной (рекордной!) надёжностью единичного модуля можно получить общую надёжность РН на уровне 53%. Столь низкие показатели ставят на предложенной концепции жирный крест! Или нет?
Дело в том, что за прошедшие десятилетия у подобных РН появилась своя ниша — выведение на орбиту ИСЗ т.н. наноспутников, имеющих небольшую массу. В этом случае 200 кг полезной нагрузки вполне реально и конкурентоспособно. Да и показатели надёжности будут вполне приемлемыми.
При подготовке материалов были использованы следующие источники:
- David Darling. The Complete Book of Spaceflight From Apollo 1 to Zero Gravity. — John Wiley & Sons, Inс., Hoboken, New Jersey, 2003.
- А. М. Первушин. Битва за звезды: Космическое противостояние. — М.: ООО «Издательство АСТ», 2003.
- И. Б. Афанасьев, Д. А. Воронцов. Золотой век космонавтики: мечты и реальность. — М.: Фонд «Русские витязи», 2015.
- http://www.b14643.de/Spacerockets_1/West_Europe/OTRAG/Description/Frame.htm
- http://www.astronautix.com
| « | В этот день… №3-19 (1-10 мая) | В этот день… №3-21 (21-31 мая) | » |
