Космический самолёт: история многоразовых ракетно-космических систем

Перед Второй мировой войной ракетостроение, связанное с покорением космоса, наиболее бурно развивалось в Германии: там возникло сообщество энтузиастов, приступивших к практическим работам. Широкую известность получил австриец Макс Валье. В молодости он увлёкся фантастикой, астрономией и паранаучными космологическими теориями, но нашёл своё призвание в реализации идеи межпланетных путешествий. В 1924 году Валье выпустил свою первую книгу «Прорыв в мировое пространство. Техническая возможность» (Der Vorstoß in den Weltraum. Eine technische Möglichkeit), рассчитанную на массовую аудиторию, и весь тираж в 4000 экземпляров очень быстро разошёлся.В книге автор изложил план космической экспансии, которую, по его мнению, уже можно было начинать. Первый этап предусматривал исследование характеристик всех известных типов ракет. На втором Валье собирался испытать ракеты на транспортных средствах: велосипедах, автомобилях, дрезинах, лодках и санях. Третий должен был начаться с установки ракетных двигателей на самолёты. На четвёртом этапе появилась бы возможность построить ракетоплан, который бы достиг стратосферы, а позже, после модернизации, поднялся бы до границы космоса. Преодолев ее, аппарат стал бы внеземным объектом. Технической вершиной своего плана Валье обозначил запуск межпланетного корабля с крылатой ракетой в качестве первой разгонной ступени.Австрийский энтузиаст довел реализацию плана до второго этапа. Его эксперименты с гоночными автомобилями, снабжёнными ракетными ускорителями, неизменно вызывали восторг публики. Однако 17 мая 1930 года Макс Валье погиб при взрыве ракетного двигателя на стенде; пресса назвала его первой жертвой межпланетных полётов.

За книгами и опытами Валье внимательно следили коллеги, в том числе молодой инженер Вернер фон Браун. Он вспомнил об идеях австрийца, когда возглавил ракетную программу Третьего рейха и с другими сотрудниками исследовательского центра Пенемюнде разработал ускоритель для истребителя He-112. В апреле 1937 года испытания экспериментальной машины доказали принципиальную возможность авиаполёта с жидкостным ракетным двигателем. Но машина оказалась очень капризной, поэтому от конструирования серийного варианта отказались.И всё же главной задачей, которую гитлеровцы поставили перед командой фон Брауна, было создание не пилотируемых ракетопланов, а больших баллистических ракет А-4 («Фау-2»), способных доставить боеголовку массой 1000 кг на расстояние 300 км. В сентябре 1944-го немецкие войска начали обстреливать этими ракетами Лондон, однако к тому времени союзники по антигитлеровской коалиции наступали на Германию, фронты приближались к Берлину, и новая ракета теряла своё значение как стратегическое оружие. Чтобы увеличить дальность её действия, фон Браун предложил снабдить А-4 короткими крыльями. Немецким инженерам удалось даже провести несколько испытательных пусков, но проекту это не помогло — вскоре война завершилась сокрушительным разгромом Германии.В результате все передовые разработки, включая реактивные самолёты, ракетопланы и баллистические ракеты дальнего действия, достались победителям. Изучая трофеи, американские специалисты обнаружили, что существовал ещё один условно космический проект, посвящённый созданию высотного межконтинентального бомбардировщика Silbervogel («Серебряная птица»). Его конструированием занимался институт под руководством австрийского учёного Эйгена Зенгера. С помощью ракетных двигателей бомбардировщик должен был подняться до высоты 260 км, а потом совершить серию снижений с «отскоком» от верхних слоёв атмосферы — как плоский камешек, который прыгает по воде. Такая волнообразная схема полёта позволяла Silbervogel долететь из Германии до Нью-Йорка, сбросить на него бомбу, а затем приземлиться в другом полушарии, преодолев в общей сложности 23 500 км. Проект выглядел многообещающе, однако летом 1942 года его свернули, поскольку он требовал значительного финансирования и десяти лет работы — нереальные условия в ситуации начавшейся войны с СССР. Кроме того, не было ясно, справятся ли конструкторы с решением ключевых вопросов, связанных с аэродинамической устойчивостью, надёжностью двигателя, сохранностью теплозащиты, прочностью и тому подобным.

Получив в своё распоряжение результаты расчётов и экспериментов по различным ракетопланам и крылатым ракетам Третьего рейха, американские авиаинженеры взялись изготавливать собственные перспективные самолёты, которые бы поднимались до космических высот. В 1946 году корпорация Bell Aircraft построила ракетоплан X-1, а 14 октября 1947-го испытатель Чарльз Йегер первым в мире превысил на нём скорость звука.Постепенно программа сверхзвуковых ракетопланов развивалась — модель X-15 уже могла пересечь условную границу между атмосферой и космосом на высоте 100 км, разгоняясь до скорости 3,3 км/с (то есть в десять раз больше звуковой). Компания North American Aviation начала работать над Х-15 в 1954 году, а первый ракетоплан этого типа стартовал с самолёта-носителя в 1959-м. Начальный этап испытаний продолжался до 1962 года. Он не обошёлся без аварий, но полученный опыт позволил доработать летательный аппарат, и 22 августа 1963 года испытатель Джозеф Уокер на Х-15 поднялся на высоту почти 108 км. Поскольку тогда пилотируемые полёты на орбиту совершались чрезвычайно редко, американских лётчиков, достигнувших условного рубежа на ракетоплане, сразу записывали в астронавты. Конечно, другие страны никогда не признавали за ними такого статуса.У военно-воздушных сил США были большие планы на Х-15. В рамках собственной космической программы они задумали создать на его основе ударный космоплан Х-20 многоразового использования. На орбиту его бы выводили ракеты-носители серии Titan, а возвращаться на Землю он должен был сам, по волнообразной траектории, как немецкий бомбардировщик Silbervogel. Однако на полноценное развитие проекта требовались огромные суммы, и в декабре 1963 года его закрыли в пользу более простых космических кораблей Gemini. Они позволяли быстрее реализовать планы экспедиций на Луну и строительства орбитальной станции. Что касается ракетопланов Х-15, то связанную с ними программу высотных исследований закрыли после того, как 15 ноября 1967 года в ходе очередного полёта погиб пилот Майкл Адамс.

Советская «Спираль»

Прототип космоплана системы «Спираль» / Bernhard Gröhl [CC BY-SA 3.0]В Советском Союзе перед войной тему ракетопланов активно исследовал молодой авиаконструктор Сергей Королёв. В Реактивном научно-исследовательском институте (РНИИ, НИИ-3) его группа разрабатывала летательный аппарат РП-318-1. Сам Королёв поучаствовать в его испытаниях не успел — был арестован, осуждён как враг народа и отправлен в лагерь. Но его коллеги довели ракетоплан до полноценного экспериментального изделия, и 28 февраля 1940 года тот совершил успешный полёт с включением двигателя под управлением лётчика Владимира Фёдорова.После войны Королёва и других советских ракетчиков отправили в Германию, чтобы изучить трофеи. Он стал главным конструктором ракеты Р-1 — точного аналога немецкой А-4, только из отечественных материалов. О ракетопланах Королёв вспомнил только в 1957 году, когда Особое конструкторское бюро № 1 (ОКБ-1), которое он возглавлял, занялось конструированием корабля для полёта человека в космос — того самого корабля, который позднее получил название «Восток». Один из ранних вариантов спускаемого аппарата предполагалось снабдить короткими крыльями, чтобы он мог возвращаться с орбиты на аэродром. Но при анализе этой схемы стало ясно, что потребуется много времени и усилий, чтобы подобрать для аппарата прочные жаростойкие сплавы. В результате предпочтение отдали шарообразной конструкции, на которую наносился теплозащитный слой из асботекстолита.Инициативу перехватило Опытно-конструкторское бюро № 52 (ОКБ-52) под руководством Владимира Челомея. В 1960 году оно выдвинуло на рассмотрение правительства большой план освоения внеземного пространства, включавший размещение там военных средств. Подчинённые Челомея брались создать линейку ракет-носителей, которые будут выводить на орбиту разведывательные спутники и аппараты для борьбы с вражескими спутниками. Среди таких аппаратов рассматривались ракетопланы трёх типов: «Капсула», «Конус» и «Крылатые». Сергей Королёв поддержал инициативу, хотя Челомей был его прямым конкурентом, и правительство дало ОКБ-52 добро на разработку проекта. Приоритетными стали беспилотный ракетоплан Р-1 и пилотируемый Р-2. Был построен экспериментальный аппарат МП-1 в виде конуса с тормозным зонтом. 27 декабря 1961 года он отправился в космос, достиг высоты 405 км и совершил управляемый спуск в атмосфере, что по тем временам считалось беспрецедентным достижением. МП-2 повезло меньше — в марте 1963-го он развалился на части при входе в атмосферу.

К тому времени приоритеты политического руководства начали меняться, и в 1964 году амбициозный план Челомея пересмотрели, после чего весь проект перешел к ОКБ-155 под руководством Артёма Микояна. Там как раз начинались работы над проектом «Спираль», который должен был стать советским ответом на американскую программу Х-15.Космическая система многоразового использования «Спираль» состояла из двух главных элементов — самолёта-носителя и одноместного орбитального космоплана. Планировалось, что последний будет подниматься на высоту до 150 км, выполняя задачи разведчика, инспектора-перехватчика и ударного самолёта, снабжённого ракетой космос — земля. Создание такой сложной системы требовало множества натурных экспериментов, поэтому в 1966 году развернулись работы над серией аппаратов БОР (беспилотный орбитальный ракетоплан) — это модели космоплана «Спираль» в масштабе 1:3. Запуски БОР-1, БОР-2 и БОР-3 с полигона в Астраханской области начались в 1969 году и продолжались пять лет. Специалисты готовы были перейти к производству полноценного изделия, но политики опять изменили долгосрочные планы. Все силы отрасли были брошены на создание ракетно-космической системы «Энергия» — «Буран».

Космические шаттлы

Экономические проблемы, начавшиеся в США в конце 1960-х годов и переросшие в полноценный кризис, серьёзно сказались на космонавтике. Бюджет NASA неуклонно сокращался. Тем не менее оно не могло отказаться от расширения своего присутствия в космосе и предлагало правительству различные проекты, призванные сохранить существующий потенциал. Программа Space Shuttle стала ответом на требование сделать космонавтику «коммерчески привлекательной».

В октябре 1968 года NASA предложило ведущим компаниям, специализирующимся на космических технологиях, изучить возможность создания многоразового носителя, что снизило бы стоимость выведения грузов на орбиту. Поскольку у американских конструкторов был большой опыт исследований с использованием ракетопланов Х-15, у них сразу возникла концепция пилотируемого крылатого корабля, взлетающего как ракета и приземляющегося как самолёт. Экономическая оценка показала, что при частоте космических полетов не меньше тридцати раз в год, с доставкой не только государственных и военных, но и коммерческих грузов, шаттлы станут приносить прибыль. 5 января 1972 года президент Ричард Никсон объявил, что победу одержал проект Space Shuttle, который представила компания North American Rockwell.Однако при реализации фирмам, привлечённым к работе, не удалось уложиться ни в заявленные сроки, ни в заявленную стоимость. Общий бюджет вырос с 5,2 млрд (1971 год) до 10,1 млрд долларов (1982 год). Цена запуска увеличилась с 10,5 млн до 240 млн. При этом из-за экономии надёжность заметно снизилась. В ноябре 1972-го с шаттла убрали два двигателя, предназначенные для его аварийного отделения от внешнего бака с топливом. В феврале 1974-го шаттлы лишились воздушно-реактивных двигателей и возможности самостоятельно перемещаться между аэродромами. Планер шаттла изготавливали из алюминиевого сплава вместо жаропрочного титана — в результате в качестве тепловой защиты решили использовать наклеиваемую кварцевую плитку, которая требовала особого ухода. Проектанты отказались даже от системы аварийного спасения, ведь в шаттле её можно было бы организовать лишь одним способом — через отделение всей кабины с экипажем. Это требовало бы установки громоздкого оборудования. После некоторых колебаний систему вычеркнули из проекта, записав вместо неё повышенные требования по надёжности, что, по мнению разработчиков, гарантировало безопасность.К началу эксплуатации системы было построено четыре корабля: «Колумбия», «Челленджер», «Дискавери» и «Атлантис». Каждый мог совершить не более пяти полётов в год, то есть в совокупности выходило двадцать полётов. Для проведения длительных космических экспериментов шаттлы не годились: на них не было солнечных батарей, а собственных ресурсов корабля хватало только на две недели полёта. Таким образом, в конечном виде Space Shuttle не отвечал даже проектным требованиям.

Тем не менее поначалу эксплуатация системы шла хорошо. Корабли один за другим стартовали, выводя грузы на орбиту, а некоторые из старых спутников даже удалось отремонтировать с борта шаттла и вернуть в рабочее состояние. Но всё равно программа оставалась убыточной и требовала значительных бюджетных вливаний для развития. Чтобы поддержать интерес заказчиков к Space Shuttle, президент Рональд Рейган объявил в августе 1984-го, что путешествовать в космос на шаттле смогут даже простые граждане США, а первым таким путешественником станет учитель. Был объявлен национальный конкурс, в котором победила Криста Маколифф — преподавательница из провинциального городка Конкорда.28 января 1986 года корабль «Челленджер», где в составе экипажа находилась Маколифф, стартовал с космодрома мыса Канаверал. На 59-й секунде полёта из правого ускорителя начало бить пламя, огонь прожёг внешний топливный бак. На высоте 14 км тот взорвался, а кабина шаттла рухнула в океан. Семеро астронавтов погибли.Гибель «Челленджера» дорого обошлась космонавтике. Стало ясно, что сложные многоразовые ракетно-космические системы не обеспечивают снижение расходов и надёжность. Два с половиной года ушло на то, чтобы модернизировать шаттлы, введя дополнительный контроль качества и безопасности. Однако это не помогло: 1 февраля 2003 года при возвращении из космоса корабль «Колумбия» разрушился из-за повреждения теплозащиты левого крыла. Экипаж, включая первого израильского космонавта Илана Рамона, погиб.

Удручающей была и судьба системы «Энергия» — «Буран», которая создавалась в СССР с января 1976 года как аналог Space Shuttle, чтобы сохранить стратегическое равновесие. Советские аналитики полагали, что американский проект в большей степени нацелен на военное применение, чем на коммерческое. В отличие от шаттлов, крылатый корабль «Буран» выводился в космос одноразовой ракетой «Энергия», отчего стоимость запусков повышалась, но зато расширялась сфера использования системы. Корабль предназначался для обслуживания орбитальной станции и доставки к ней боевых платформ с разнообразным вооружением, от лазерного до ядерного. Подготовка лётного экземпляра завершилась только в мае 1988 года, а первый старт состоялся 15 ноября. Испытания «Бурана» прошли успешно, однако в период разрядки международных отношений он потерял важность. После развала Советского Союза никто не взялся финансировать дорогостоящий проект, для которого так и не придумали вариантов применения с коммерческой отдачей.

История проектирования и эксплуатации многоразовых ракетно-космических систем наглядно показывает, что если использовать как основу авиацию, то они оказываются слишком сложными, дорогими и небезопасными по сравнению с одноразовыми баллистическими комплексами. Однако есть ещё один вариант. В ракете Falcon 9 и корабле Dragon, построенных компанией SpaceX, изящно совмещены оба направления: баллистика и многоразовость. Под влиянием успеха компании подобные системы начинают проектировать и другие космические фирмы и агентства. Хочется надеяться, что в результате появится стандарт, который станет основой внеземной экспансии. Ведь чем шире он распространится по миру, тем больше у каждого из нас шансов когда-нибудь отправиться в космос.