вернёмся в библиотеку?

«Земля и Вселенная» 1993 №3



В помощь лектору


Ракеты-носители США

А. К. ИВАШКЕВИЧ
НПО «Энергия»

В настоящее время в Соединенных Штатах находятся в эксплуатации ряд одноразовых ракет-носителей (РН) различных типов и многоразовая транспортная космическая система «Спейс Шаттл».

Первые американские РН «Джуно I» и «Джуно II» были созданы в конце 50-х годов в результате модификации баллистических ракет «Редстоун» и «Юпитер». «Джуно I» в январе 1958 г. вывела на орбиту первый американский спутник «Эксплорер-1» массой 8,3 кг. Тогда же создана и РН «Авангард», выведшая полезный груз массой 11 кг на орбиту высотой 500 км.

Значительным достижением США явилось создание в 60-х годах экспериментальной двухступенчатой РН «Сатурн IB» и тяжелой трехступенчатой РН «Сатурн V», позволивших выполнить программу пилотируемых полетов на Луну. РН «Сатурн IB» (стартовая масса 590 т, масса ПГ 18 т) использовалась для лётной отработки элементов, в основном, кислородно-водородных маршевых жидкостных реактивных двигателей (ЖРД), ракеты-носителя «Сатурн V». В 1966 — 1975 гг. было выполнено 9 пусков РН «Сатурн IB», один из которых по программе совместного полета «Союз-Аполлон». РН «Сатурн V» (стартовая масса 2950 т, масса ПГ 139 т на низкой орбите и 45 т на траектории полета к Луне) в течение 1967 — 1973 гг. совершила 12 полетов по лунной программе и один полет для выведения на орбиту орбитальной станции «Скайлэб». Обе РН продемонстрировали 100%-ю полетную надежность, а грузоподъемность «Сатурна V» до сих пор не превзойдена. Создававшаяся 5 лет стендовая база для программы «Сатурн-Аполлон» оценивается американскими специалистами как «величайшее национальное достояние».

Следующим важным этапом в космической программе США было создание в 70-х годах многоразовой транспортной космической системы (МТКС) «Спейс Шаттл», первый полет которой состоялся 12 апреля 1981 г. К 1 августа 1992 г. выполнено 48 полетов. 25-й полет 28 января 1986 г. закончился трагедией: в результате взрыва на 73-й секунде полета был разрушен орбитальный корабль (ОК) «Челленджер» и погибли 7 космонавтов. Эта катастрофа, более чем на 2,5 года задержавшая полеты «Шаттлов», показала ошибочность стратегической концепции, в которой НАСА и министерство обороны США отводили МТКС роль единственного транспортного космического средства и планировали полностью отказаться от эксплуатации одноразовых РН.

После этого было признано нецелесообразным использование сложной и дорогой пилотируемой транспортной системы «Спейс Шаттл» в тех случаях, когда можно применить более простые одноразовые РН, причем без риска для жизни космонавтов. В итоге министерство обороны практически совсем отказалось от услуг системы «Спейс Шаттл» и заключило с аэрокосмическими фирмами ряд новых контрактов, предусматривающих возобновление производства и поставок одноразовых РН семейств «Атлас», «Дельта» и «Титан». Было принято также решение о преимущественном использовании одноразовых РН для запусков коммерческих спутников. Фирмы-разработчики произвели необходимые усовершенствования своих РН в соответствии с возросшими требованиями к грузоподъемности со стороны заказчиков.

Не отпала также необходимость в выведении на орбиту небольших, массой несколько сот килограмм, спутников. В частности, министерству обороны потребуется вывести около 10 малоразмерных спутников в год за период 1989 — 1995 гг., а в 1995 — 2000 гг. — примерно по 15 пусков в год. С этой целью запускается РН «Скаут», находящаяся в эксплуатации с 1960 г., и вводится в строй новая крылатая РН «Пегас», первый полет которой состоялся в 1990 г.

Таким образом, инфраструктура транспортных космических средств США сегодня включает малоразмерные РН «Скаут» и «Пегас» и усовершенствованные РН средней размерности «Дельта», «Атлас», «Титан» и МТКС «Спейс Шаттл». Кроме того, США ведут интенсивные поисковые проектные исследования по перспективным РН с более высокой грузоподъемностью, чем МТКС «Спейс Шаттл». Эти РН, возможно, найдут применение в таких программах, как создание космической станции «Фридом» (доставка на орбиту модулей КС для сборки), стратегическая оборонная инициатива (выведение тяжелых орбитальных платфом с космическим оружием), создание лунной базы и осуществление пилотируемого полета на Марс. Исследуются также варианты перспективных транспортных систем, которые должны придти на смену системе «Спейс Шаттл» в начале следующего столетия.
Устройство РН «Пегас»: 1 — обтекатель полезного груза (ПГ); 2 — приборный отсек; 3 — гибкие сопла твердотопливных реактивных двигателей; 4 — узлы подвески к самолету-носителю; 5 — двигатель первой ступени; 6 — двигатель второй ступени; 7 — двигатель третьей ступени; 8 — емкость с азотом; 9 — двигатели стабилизации и управления, работающие на холодном газе (азоте)

Одно из наиболее важных требований к новым системам выведения — существенное (примерно на порядок) снижение удельной стоимости выведения полезного груза (ПГ) на орбиту. NASA в своих исследованиях (проект «Шаттл-С») развивает концепцию системы «Спейс Шаттл», т. е. в максимальной степени заимствует конструктивные элементы и технологию существующей системы выведения, тогда как министерство обороны США (программа РН семейства ALS) рассматривает проблему более широко и предполагает использовать лучшие технологические достижения ракетно-космической техники, чтобы избавиться от «родовых» недостатков системы «Спейс Шаттл».
Схема полета РН «Пегас». После старта с борта самолета-носителя (высота Н=12,2 км, скорость v = 0 м/с, время полета f=0 с) РН начинает автономный полет: 1 — запуск двигателя первой ступени (Н=12,1 км, v=0 м/с, t=5 с); 2 — окончание работы двигателя первой ступени (Н=43,9 км, f=61,8); 3 — запуск двигателя второй ступени (Н=64,9 км, f=85,3 с); 4 — отделение обтекателя ПГ (Н=112 км, v = 3630 м/с, f= 124 с); 5 — окончание работы двигателя второй ступени (H=t69 км, v=5330 м/с, f=160 с); 6 — пассивный полет; 7 — запуск двигателя третьей ступени (Н=644 км, v = 4820 м/с, t=466 с); 8 — окончание работы двигателя третьей ступени (Н=648 км, v=7630 м/с, t=531,5 с)
РАКЕТЫ-НОСИТЕЛИ МАЛОЙ РАЗМЕРНОСТИ

В соответствии с прогнозами экспертов консорциума «Арианспейс» к 1993 г. ежегодный рынок малоразмерных спутников может составить 20 аппаратов, а к 1996 г. увеличится до 35 аппаратов, из которых большая часть придется на военные системы (разведывательные, связные и др.). Запуск мини-спутников с помощью РН, оптимизированных на выведение аппаратов большой массы, экономически не выгоден и может осуществляться лишь в отдельных случаях совместно с основными ПГ. И хотя удельная стоимость выведения этих ПГ малоразмерными РН достаточно велика, заинтересованность в их использовании такова, что до сих пор продолжается эксплуатация РН «Скаут» и разрабатываются новые, более эффективные по энергетическим и стоимостным характеристикам малоразмерные РН (например, РН «Пегас»). Некоторые фирмы ведут разработку таких РН на собственные средства, не имея заказов и рассчитывая найти потребителей позднее, однако это не всегда им удается. Так было с РН «ILV» фирмы «Америкэн рокитс» и РН «Канестога» фирмы «Спейс сервисиз», когда финансовые трудности заставили фирмы отложить срок ввода этих РН в эксплуатацию.

Твердотопливная четырехступенчатая РН «Скаут» фирмы «LTV» имеет стартовую массу 21,75 т, длину 22,9, максимальный диаметр 1,14 м, высоту обтекателя ПГ 3,78 м. В период 1960 — 1990 гг. осуществлено 113 ее запусков, показавших надежность на уровне 87,6%. РН «Скаут» используется для выведения научных спутников NASA и других зарубежных ведомств, а также спутников, принадлежащих ВВС и ВМС США. Запуски ведутся с авиабазы Ванденберг (штат Калифорния), стартового комплекса Уоллопс (штат Вирджиния) и итальянского морского стартового комплекса Сан-Марко, расположенного в Индийском океане. Стоимость запуска РН «Скаут» составляет 10 — 12 млн долл. (цены 1990 г.), а ее последняя модификация «Скаут-1» за 13 пусков (с 1979 г.) продемонстрировала 100%-ю надежность.

Сейчас фирма «LTV» пытается улучшить энергетические характеристики РН «Скаут», включив в ее состав два твердотопливных ускорителя (ТТУ) РН «Ариан-4». Это позволит увеличить грузоподъемность ракеты до 525 кг (низкая орбита) и 110 кг (переходная) при стартовой массе РН 49,8 т. Стоимость пуска новой ракеты составит около 15 млн долл. Применение более мощной четвертой ступени (модификации РН «Скаут II») обеспечит дополнительное увеличение массы ПГ на 12%.

К началу 1992 г. «LTV» имела правительственный заказ на пять РН «Скаут G-I» до 1993 г. По окончании его фирме придется самостоятельно заниматься производством и продажей РН «Скаут» (она способна обеспечить поставки и пуски 10 - 12 ракет в год).

Первый пуск новой малоразмерной ракеты-носителя «Пегас», состоявшийся в апреле 1990 г. Ракета, стартовав с борта стратегического бомбардировщика В-52, вывела на полярную орбиту военный спутник массой около 200 кг.

Фото NASA — Orbital Sciences Corp.


Твердотопливная трехступенчатая РН воздушного базирования «Пегас» — совершенно новая разработка в США за последние 20 лет. Ракета проектировалась с помощью компьютеров без испытаний в аэродинамических трубах. Ее конструкция выполнена из композиционных материалов. «Пегас» запускается с высоты 12,2 км с борта бомбардировщика В-52 при скорости, составляющей 0,8 от скорости звука.

В первом полете РН «Пегас» вывела на полярную орбиту высотой 592 — 595 км спутник связи ВМС массой 199 — 205 кг. ВВС США планируют вывести этой ракетой в 1990 г. 39 своих спутников, и еще семь таких ракет предполагает заказать NASA.

На базе РН «Пегас» разрабатывается четырехступенчатая РН «Торус», которая будет запускаться с мобильного наземного стартового комплекса. В качестве ее первой ступени используется баллистическая ракета «MX», а остальные три ступени соответствуют ступеням РН «Пегас». Стартовая масса РН «Торус» — 81,65 т, длина 27,5 м, диаметр и высота обтекателя ПГ — 1,47 и 6,6 м, соответственно. «Торус» обеспечит выведение на низкую круговую орбиту ПГ массой 1,45 т, на полярную орбиту высотой 745 км — 454 кг и на переходную орбиту — 375 кг. Первый пуск РН «Торус» должен состояться в 1992 г.

Одноразовые ракеты-носители США: малоразмерная «Скаут», среднеразмерные «Дельта» (показана в модификации 3920), «Атлас» (модификация «Атлас - Центавр») и «Титан III» (модификация «Титан-34 D»)

Разрабатывается несколько модификаций РН «Пегас» с улучшенными энергетическими характеристиками, которые, возможно, обеспечат к 1995 г. увеличение массы ПГ до 2,72 - 3,63 т (вариант «Пегас-IV») при стартовой массе РН 77,1 т.

РАКЕТЫ-НОСИТЕЛИ СЕМЕЙСТВА «ДЕЛЬТА»

Трехступенчатые РН семейства «Дельта» находятся в эксплуатации с 1960 г. В 1960 — 1990 гг. осуществлен 201 запуск этих ракет и выведено на различные орбиты (вокруг Земли, Луны и Солнца) 189 спутников и космических аппаратов, что соответствует надежности РН на уровне 94%. В последние 12 лет из 53 пусков неудачным был только один (надежность 98%).

Головной разработчик РН «Дельта» — фирма «Макдоннелл Дуглас» — постоянно совершенствует характеристики РН, увеличивая ее грузоподъемность. В настоящее время создана космическая РН «Дельта II» (модификации 6925 и 7925). Модификация 7925 отличается от 6925 применением более мощных ТТУ GEM фирмы «Геркулес» вместо ТТУ «Кастор 4А» фирмы «Тиокол» с корпусами из графитоэпоксидного композиционного материала, а также использованием на первой ступени более мощного ЖРД RS-27A (вместо RS-27). Фирма-изготовитель ежегодно способна осуществлять до 10 пусков РН «Дельта II».

Два контракта, заключенные фирмой с министерством обороны (общая стоимость 985,5 млн долл.), предусматривали в 1991 — 1992 гг. выведение на орбиту 20 навигационных спутников «Навстар». Кроме того, имеются также контракты общей стоимостью около 450 млн долл. на запуск 10 коммерческих спутников.

Первый запуск РН «Дельта II» состоялся в 1989 г., а «Дельта II-7925» — в 1990 г. В этом же году стартовала в последний раз РН «Дельта I». После 1992 г. в эксплуатации останется то­лько РН «Дельта 11-7925».

«Макдоннелл Дуглас» предполагает и в дальней­шем повышать грузоподъ­емность РН «Дельта», создав новые модификации с использованием кислородно-водородного топлива на пер­вой и второй ступенях, что позволит увеличить массу ПГ на переходной орбите до 5,5 т. Если в качестве первой ступени использовать связку из двух первых ступеней РН «Дельта II-7925» с 12 ТТУ GEM, а на второй и третьей ступенях кислородно-водо­родное топливо, то на низ­кую орбиту может быть вы­веден ПГ массой 21,6 т, а на переходную — 8,0 т.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ США

№№
хара-
кте-
рис-
тик
Название характеристикМалоразмерные РНРН семейства «Дельта-М»
Скаут «G-1»«Пегас»Модель 6925Модель 7925
1
2
3


4




5
6

1. Стартовая масса, т

2. Длина ракеты, м

3. Габариты обтекателя:

а) диаметр, м

б) высота, м

4. Масса выводимого полезного груза, т:

а) на низкую орбиту (i = 28,5°, H=185 км)

б) на переходную орбиту

в) на полярную орбиту

г) на геостационарную орбиту

5. Стоимость пуска, млн долл.

6. Год первого запуска

21,75
22,9

1,141

3,78
0,270
54
-
-
10 - 12
1979
19,0

15,5
1,272

4,43
0,455
125
200
-
7 - 12
1990
220
38,1

2,44

-
3,99
1,45
-
0,73
40 - 50
1989
230
38,1

2,44

-
5,045
1,82
-
0,91
40 - 50
1990

№№
хара-
кте-
рис-
тик
Ракеты-носители семейства «Атлас»Ракеты-носители семейства «Титан»
ЕIIIIIAIIASIIIII (коммерческая)IVSRMIVSRMU
1.
2.
3 а)

б)
4 а)

б)

в)

г)
5.
6.

121
28,1
2,1
7,4
0,82
-
-
-
45
1974
164,3
43,9
4,2
12,09
5,58
2,25
-
0,4510
65 - 75
1990
187,6
47,5
4,2
12,09
6,395
2,68
-
0,5710
70 - 80
1991
187,7
47,5
4,2
12,09
6,76
2,81
-
0,6110
80 - 90
1991
234
47,5
4,28
12,09
8,39
3,49
-
1,0510
110 - 120
1993
154,4
42,9
3,05
6,1
-
-
1,905
-
43
1988
680
47,2
4,0
16,3
14,524
1,855
-
2,54
130 - 1507
1989
8603
62,2
5,1
15,2
17,7
6,356
14,11
4,543
1547
1989
9263
62,2
5,1
15,2
21,64
8,626
18,6
5,76
1547
1993

1 Дан максимальный диаметр — первой ступени РН

2 Диаметр корпуса ракеты. Размах крыла — 6,7 м

3 С верхней ступенью «Центавр»

4 Масса одной полезной нагрузки. Суммарная масса двух нагрузок: при выведении на низкую орбиту — 14,15 т, на геостационарную орбиту — 1,36 т

5 С разгонным блоком РАМ; с блоком «Транстейдж» — 4,31 т, с блоком TOS — 5,0 т

6 С апогейным двигателем, установленным на ПГ

7 Без верхней ступени

8 Максимальный диаметр. Минимальный диаметр — 3,3 м

9 Максимальная высота обтекателя. Минимальная высота — 10,4 м

10 Нагрузка при прямом выведении. С апогейным двигателем модификация I выводит — 1,14 т, II — 1,4 т, IIА — 1,5 т, IIAS — 2,09 т

РАКЕТЫ-НОСИТЕЛИ СЕМЕЙСТВА «АТЛАС»

7 декабря 1991 г. фирма «Дженерал Дайнемикс» осуществила 500-й запуск своей РН «Атлас» (модификация «Атлас I»). Полутораступенчатая РН «Атлас» была создана в 1960 г. на базе межконтинентальной баллистической ракеты «Атлас», первые полеты которой состоялись еще в 1957 г. Именно РН «Атлас» вывела в 1962 г. в космос первый в США пилотируемый орбитальный корабль «Меркурий» с Джоном Гленном на борту.

Модификации РН «Атлас» отличаются в основном второй ступенью («Эйбл», «Аджена» и др.). Общая надежность РН оценивается на уровне выше 80%. С 1962 г. в составе РН используется кислородно-водородная вторая ступень «Центавр». К 7 декабря 1991 г. осуществлен 71 запуск РН «Атлас — Центавр» (в том числе 8 экспериментальных), из которых 59 были успешными (надежность 83,1 %). В 1978 — 1991 гг. из 29 полетов РН «Атлас — Центавр» неудачными были 3 пуска (надежность 89,6 %).

Отличительная особенность первой ступени ракеты — стальные топливные баки со стенками толщиной 0,254 — 1,02 мм (в незаправленном состоянии они всегда находятся под наддувом). В состав двигательной установки (ДУ) первой ступени входят два сбрасываемых в полете бустерных ЖРД, один основной и два верньерных ЖРД, запускаемые при старте РН одновременно.

«Дженерал Дайнемикс» разрабатывает и вводит в эксплуатацию более мощные модификации РН «Атлас» (II, IIА и IIAS) для выведения различных военных и коммерческих спутников. В составе РН «Атлас II» применяют бустерные двигатели с увеличенной тягой. Модель IIА отличается применением модифицированного двигателя RL-10 с повышенной тягой на ступени «Центавр», a IIAS от IIА — использованием четырех ТТУ «Кастор-4А».

Для обеспечения коммерческих пусков РН «Атлас» в 1988 г. фирма «Дженерал Дайнемикс» организовала специальную службу — CSL. Первый такой пуск РН «Атлас II» состоялся в декабре 1991 г. CSL объявила о намерении изготовить к 1997 г. 60 РН для коммерческого использования. К началу 1992 г. фирма имела 25 заказов на запуски коммерческих спутников и 10 заказов на выведение спутников министерства обороны США. Технические возможности могут позволить ей запускать до 12 РН в год.

Дальнейшее совершенствование характеристик РН «Атлас» предусматривает повышение тяги бустерных двигателей, использование ТТУ с графитоэпоксидными корпусами и с большим запасом топлива, применение ступени «Центавр» с одним двигателем. Рассматривается также вариант РН с увеличенным до 4,3 м диаметром топливных баков, обеспечивающий выведение на переходную орбиту ПГ массой 5,5 т без ТТУ и 7,15 т при использовании ТТУ.

РАКЕТЫ-НОСИТЕЛИ СЕМЕЙСТВА «ТИТАН»

В октябре 1955 г. фирма «Мартин Мариетта» по заказу ВВС США начала разработку двухступенчатой кислородно-керосиновой межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) «Титан I». Сначала эта программа рассматривалась в качестве резервной к проекту «Атлас», работы по которому проходили с затруднениями. Первый успешный старт МБР «Титан I» состоялся в 1959 г., а через три года она была принята на вооружение. Однако в 1965 г. на смену МБР «Титан I» пришла новая МБР «Титан II» на высококипящих самовоспламеняющихся компонентах топлива — четырехокиси азота (N2O4) и аэрозине-50 (А50).

МБР «Титан II» была выбрана в качестве РН для пилотируемых полетов по программе «Джемини» (1964 — 1966 гг.), а также послужила базовым изделием для разработки с 1962 г. ряда РН «Титан III». Несколько модификаций РН «Титан III», созданных тогда, отличались главным образом верхними ступенями, т. е. разгонными космическими блоками, и применением твердотопливных ускорителей. За период с 1964 по 1992 г. состоялось 140 успешных полетов РН «Титан III» в различных модификациях (из 146), что соответствует надежности РН на уровне 96%.

По мощности РН семейства «Титан III» уступают лишь МТКС «Спейс Шаттл» и обеспечивают выведение большого числа спутников, в основном военных, на полярную и геостационарную орбиты и межпланетных КА.

В 1987 г. ВВС передали фирме «Мартин Мариетта» 15 экземпляров снятых с вооружения МБР «Титан II» для переоборудования их в РН «Титан II SLV», способных выводить на полярную орбиту ПГ массой 1,9 т. Еще 55 МБР «Титан II» имеются в распоряжении ВВС и, возможно, будут использованы в качестве РН. Разрабатываются и более мощные РН «Титан II» с навесными твердотопливными ускорителями типа «Кастор IV». В 1992 г. планируется запустить «Титан II MSX» с восемью ТТУ для выведения на орбиту спутника MSX по программе СОИ.

Одновременно «Мартин Мариетта» выходит на коммерческий рынок РН. На базе РН «Титан 34D», использовавшейся ранее для запусков военных спутников, разработана коммерческая РН «Титан III», и в течение 1989 — 1990 гг. осуществлены три ее пуска (один из них оказался неудачным). Еще один пуск запланирован NASA на 1992 г. для выведения к Марсу КА «Марс обсервер».

Значительно большие масштабы имеют соглашения ВВС с фирмой «Мартин Мариетта» на поставки РН «Титан IV», называемой ранее CELV или «Титан 34D7». Первое соглашение о поставке десяти экземпляров CELV заключено еще в 1985 г. Однако после катастрофы «Челленджера» заказ ВВС увеличился до 41 РН (стоимость контракта 7,1 млрд долл.), а к 1997 г. ВВС планируют закупить у фирмы 78 РН «Титан IV».

В 1989 — 1991 гг. запущено пять РН «Титан IV». В планы ВВС входит модернизация стартового комплекса на авиабазе Ванденберг (Калифорния), после чего с 1996 г. станет возможно осуществлять 10 стартов в год.

РН «Титан IV» отличается от коммерческой РН «Титан III» использованием более мощных ТТУ, состоящих из семи топливных секций (вместо 5,5). Кроме того, в составе РН «Титан IV» предусматривается применение в качестве верхних ступеней твердотопливного двухступенчатого разгонного блока IUS и кислородно-водородного блока «Центавр», тогда как в составе коммерческой РН «Титан III» могут использоваться разгонные блоки РАМ — DII, «Транстейдж» и TOS.

К 1993 г. планируется замена ТТУ SRM на более совершенные SRMU с новым топливом НТРВ (вместо PBAN), снаряжаемым в корпуса из композиционного материала (вместо стали). Помимо этого «Мартин Мариетта» изучает возможность дальнейшего совершенствования РН «Титан II» и «Титан IV». Установив от двух до десяти ТТУ «Кастор-4» на РН «Титан II», можно увеличить массу ПГ, выводимого на полярную орбиту, до 3,55 т (10 ТТУ). Рассматривается также вариант РН «Титан II» с двумя жидкостными ускорителями, представляющими собой первую ступень РН (Мпг= 8,2 т).

Повысить грузоподъемность РН «Титан IV» можно увеличением диаметра (запасов топлива) центральных ступеней и числа ТТУ, добавлением двигателей на первую ступень РН. Так, РН «Титан IV» (модификация 3) с жидкостными ступенями диаметром 6 м и с 5 — 6 двигателями на первой ступени и 5 — 6 ускорителями обеспечивает выведение на низкую орбиту ПГ массой 59 — 68 т.

Окончание в следующем номере