Воздушный старт: Космос — это не высота, космос — это скорость

[fonzeppelin]

И еще одна моя статья для Warcats.

В представлении неспециалистов воздушный старт в Космос чрезвычайно  выгоден. Поднять ракету мощным самолётом повыше, запустить — и вуаля!  При этом ход мыслей примерно таков: граница Космоса (линия Кармана)  примерно в 100 километров, и если мы приподнимем ракету километров на  25-30 самолётом, то ей же лететь меньше! Логика красивая, стройная… и  совершенно, просто-таки до смешного неправильная.

Околоземная орбита

Что такое, собственно, околоземная орбита? Если просто — это  траектория космического аппарата, сформированная взаимодействием двух  сил: притяжения Земли и инерции его движения. Притяжение Земли норовит  сбросить аппарат вниз, на планету. И если бы на аппарат действовало  только оно, то так бы и вышло.

Но тут в игру вступает инерция. Которая направлена под углом к силе  притяжения и желает тащить аппарат в сторону от Земли. Две силы вступают  в противоборство… и результатом становится равнодействующая сила,  которая направлена не к Земле и не от Земли, а куда-то между ними.  Космический аппарат увлекается этой силой по непрерывно искривляющейся  траектории, проходящей вокруг Земли. И так и получается орбита.

Если хотите простое определение, то космический аппарат  всё время падает на Землю, но из-за сильного бокового смещения все время  промахивается.

Чтобы инерция могла уравновесить могучую силу притяжения Земли, у  космического аппарата должна быть достаточно высокая скорость. Для Земли  эта скорость должна быть не меньше 7,91 километров в секунду.  Собственно, большую часть времени полёта ракета-носитель тратит вовсе не  на набор высоты, а на разгон до этой умопомрачительной скорости.

Определение околоземных орбит

Определение околоземных орбит 

На высоте не меньше 90—100 километров орбиты космических аппаратов  проходят ровно по одной причине: на такой высоте плотность земной  атмосферы очень низкая. Трение об атмосферу тормозит (а также  разогревает) космический аппарат, стремительно пожирая с таким трудом  приданную ему скорость. Поэтому на низких орбитах спутники живут от силы  годы, а на высоких — могут вращаться тысячи и миллионы лет. Если бы  Земля была отполированным гладким шаром, лишённым атмосферы, то ничто не  мешало бы запускать спутники с высотой орбиты хоть в миллиметр над  поверхностью.

Поэтому для достижения орбиты высота совершенно не важна. Имеет значение лишь скорость.

И что же в плане скорости прибавляет воздушный запуск? Да практически  ничего. Используемые сейчас для воздушных стартов самолёты-носители  вроде L-1001 «Старгейзер» или Boeing 747 «Космик Гёрл» — это дозвуковые  машины, способные развить не более 1000 км/ч. А это лишь около 0,28  километра в секунду. Такая незначительная прибавка к начальной скорости  ракеты просто-напросто не окупается.

Старт ракеты Pegasus с борта «Старгейзера»

Старт ракеты Pegasus с борта «Старгейзера» 

Даже 3 Маха — скорость, которую развивали лишь немногие  специализированные самолёты; это всего-навсего около одного километра в  секунду. Усложнение конструкции ракеты, необходимое для подвески под  сверхзвуковой самолёт, начисто съедает всю мыслимую выгоду от запуска  спутников с борта SR-71 или Миг-25.

  

Да, в принципе, возможны более скоростные самолёты, способные развить  6-9 Маха (2-3 км/с), но гиперзвуковой полёт на воздуходышащем  реактивном двигателе до сих пор является жутко сложной задачей даже для  одноразовых крылатых ракет. А если мы поставим на самолёт-разгонник  ракетный двигатель, то неизбежно встанет вопрос — чем он так уж лучше  обычной первой ступени ракеты-носителя? Тем, что приземляться умеет? Так  первые ступени приземляться уже научили и вертикально, без всяких  крыльев (тяжёлых) и самолётной компоновки.

То есть особых преимуществ в достижении орбиты воздушный старт не даёт. А вот проблемы и сложности создаёт, и немало.

При обычном вертикальном старте ракета испытывает исключительно  продольную нагрузку, направленную снизу-вверх. При воздушном же старте  она длительное время пребывает горизонтально и вынуждена испытывать ещё и  поперечную нагрузку. Необходимость обеспечивать не только продольную,  но и поперечную прочность заставляет делать ракету прочнее и массивнее,  тем самым съедая и без того невеликую выгоду.

Кроме того, запускаемая в воздухе ракета должна использовать топливо,  которое нормально хранится и не создаст катастрофических для  самолёта-носителя проблем в случае утечки. А это разом исключает как  криогенные топливные комбинации (увешивать самолёт ещё и компрессорами  для пополнения испаряющегося жидкого кислорода — право, чересчур), так и  токсичные долгохранящиеся (случайная утечка из бака с гидразином в  полёте может привести к крайне неприятным последствиям).

Справка:

Собственно, именно эти соображения и погубили расхваленный  советский космоплан воздушного старта «Спираль». После того как  выяснилось, что 6-маховый самолёт-разгонщик создать так просто не  получится, в качестве топливной пары предложили… фтор и водород. От  перспективы таскать над страной бак с десятками тонн этой адской (без  особого преувеличения), невероятно коррозийной субстанции, волосы  вставали дыбом даже у привычных советских военных.

МиГ 105.11 — дозвуковой самолёт-аналог орбитального самолёта, часть программы “Спираль”

МиГ 105.11 — дозвуковой самолёт-аналог орбитального самолёта, часть программы “Спираль” 

Так в чём же преимущества воздушного старта?

А вот в чём.

Эффективность работы сопла ракетного двигателя в атмосфере Земли и в  вакууме Космоса не одинакова. Давление атмосферы влияет на истекающую из  сопла струю газов, на соотношение давления газов и скорости истечения.  Регулируются они конструкцией сопла. Для работы в атмосфере оптимальны  более короткие сопла с небольшим коэффициентом расширения газов. А для  работы в вакууме — наоборот, с большим коэффициентом расширения.

Из этого следует довольно неприятное для ракетостроителей следствие:  невозможно построить двигатель, который одинаково хорошо работал бы и в  атмосфере, и в вакууме. Поэтому обычно на первые ступени ракет-носителей  ставят узкие «атмосферные» сопла. А на верхние ступени — широкие  «вакуумные».

Однако тут скрывается серьёзная проблема. Дело в том, что атмосферное  давление меняется очень быстро с набором высоты. На высоте в 20  километров оно почти в двадцать раз меньше, чем на уровне моря. Это  значит, что узкое «атмосферное» сопло первой ступени начнёт быстро  терять эффективность по мере подъёма. А учитывая, что первая ступень —  самая мощная и дорогая в ракете, любая неэффективность в ней…  нежелательна.

Воздушный старт позволяет обойти эту проблему. Если мы запускаем  ракету с самолёта, поднявшегося на 15-20 километров, то мы уже можем  поставить на первую ступень широкие «вакуумные» сопла и добиться  оптимальной ее эффективности. Да, прибавка не слишком велика… но в  ракетостроении любая оптимизация, как правило, себя окупает.

Схема воздушного запуска ракеты Pegasus XL

Схема воздушного запуска ракеты Pegasus XL 

Кроме того, воздушный старт позволяет подобрать оптимальную точку и  направление запуска. Наземные космодромы в этом плане сильно ограничены  географией: не со всякого космодрома можно запустить на любую желаемую  орбиту. Всегда приходится считаться с риском, что обломки первой ступени  (а то и целая аварийная ракета) могут упасть кому-нибудь на голову.

И хорошо если ещё в своей стране, а ну как в соседней?

Именно по этой причине с Канаверала, например, можно осуществлять  старты только в пределах определённого угла. Чуть южнее — и обломки  ракеты могут упасть на Кубу или в Мексику, создав международный  инцидент. Чуть севернее — и они упадут в густонаселённых районах США,  создав внутренний, но ничуть не менее громкий инцидент. А по масштабам  исков — так ронять на Кубу ещё и дешевле выйдет…

Угол, в рамках которого осуществляются запуски с мыса Канаверал

Угол, в рамках которого осуществляются запуски с мыса Канаверал 

А вот «летающий космодром» спокойно может расположиться так, что на  траектории запуска ракеты не будет ничего ценного. Или вообще устроиться  над морем. Значение также имеют и метеорологические условия: если  наземный запуск может быть запросто сорван грозой, бурей или сильным  ветром, то воздушный пуск может просто улететь от неблагоприятной  погоды.

Вот вкратце, что такое воздушный запуск и в чём его преимущества и  недостатки. И надо заметить, что преимущества, хотя и далеко не так  велики, как часто полагают обыватели, всё же и не совсем незначительны.

Comments

[gholam.livejournal.com]

Карта азимутов из Канаверала немножко устарела :)

Не упомянут ещё один важный фактор — крайняя, граничащая с невозможностью, затруднительность обеспечения безлюдного старта. К заправленной ракете во всём мире стараются по возможности не приближаться, ибо примеры маршала Неделина, расчёта "Востока-2М" с Плесецка, VLS-1 в Бразилии и прочих весьма наглядны, но экипажу самолёта-носителя деваться совершенно некуда, а делать специальный беспилотник стартовой массой в несколько сот тонн — пупок развяжется.

Ну и общее ограничение размеров — даже крупнейшие существующие самолёты, эксплуатация которых требует циклопических сооружений, способны поднять только весьма хиленькую ракету на считанные тонны орбитальной ПН.

[jr0.livejournal.com]

Вполне посильна задача обеспечения безопасности. Самолет полон топлива и не жужжат. B747 для LauncherOne не требует ничего особенного.

Очень много оценочных слов.

[gholam.livejournal.com]

Риски можно снизить но нельзя убрать. Например разрушение баллона высокого давления при подготовке к пуску AMOS-6 уничтожило стартовый комплекс но пострадавших при этом не было. Аналогичная авария LauncherOne гарантировано угробит весь экипаж.

[jr0.livejournal.com]

Жизнь — борьба. Что такое убрать риски? Почему вы изъясняетесь явной демагогией?

Да, угробит. Нет, не гарантировано. Ракету заправляют без людей, самолет тоже.

[gholam.livejournal.com]

Убрать риски — это не шляться рядом с тонкостенными баками горючего и окислителя в комбинации с баллонами гелия набитыми на 400+ атмосфер, когда одно неловкое движение — и вас опознают только по звёздам с погон. Если этот баллон рванёт в полёте то все находящиеся на борту — мертвы гарантировано.

[jr0.livejournal.com]

Любые космонавты делают это. И нет, даже когда "рванет" — есть пути спасения. Вы тут занимаете удобное положение обороны своего никому не нужного дивана.

+ Кстати, на диване риски очень велики. Их вам не убрать.

[gholam.livejournal.com]

Космонавты летают на Р-7 родом из пятидесятых, там да, куча народу крутится вокруг заправленной ракеты, с потенциальными последствиями а-ля Плесецк-1980. А вот астронавты на Dragon-2 занимают места на пустой ракете, весь персонал уходит на безопасное расстояние, САС приходит в готовность, и только после этого начинают заправку — отчего же это так?

[jr0.livejournal.com]

Я знаю точно не меньше вас. Еще больше знает, скажем, Илон Маск или Берт Рутан. Да, во время заправки криожидкостями есть очевидные повышенные опасности. И это время рядом с ракетой для самолета никого быть не должно, ведь не Союз же. А вот заправленная ракета вовсе не так опасна, как заправляемая.

Так в РФ, потому что путинизм. Что вас еще занимает вдруг?

[gholam.livejournal.com]

И тем не менее, когда у нормальных ракет — типа Фалкона-9 — отменяют пуск, то сначала сливают всё топливо, и только потом подходят к ракете. С воздушным же пуском для этого требуется беспилотный носитель. Aevum ваяют собственный беспилотник, но 25 тонн взлётной массы это как бы вообще ни о чём.

И кстати, о птичках, то есть отмене запуска — если у нормальной ракеты двигатель первой ступени при запуске не выходит на режим, или происходит ещё какой-нибудь глюк, то ракета остаётся на стартовом столе, с неё сливают топливо, чинят неполадку и пробуют снова. Если же что то такое происходит при воздушном пуске то ПН пополняет тихоокеанскую (или атлантическую) группировку спутников, как мы могли наблюдать в первом пуске LauncherOne.

[jr0.livejournal.com]

И? Пополняет, да. Что не так?

[gholam.livejournal.com]

Нууу, если вы хотите выкинуть ваш спутник в океан, есть множество более дешёвых и эффективных способов достигнуть этой цели. Хотя красиво жить не запретишь, да. Интересно будет посмотреть по каким расценкам будут страховать этот агрегат когда у него будет хоть какая-то история пусков, правда ждать накопления оной похоже придётся довольно долго.

[jr0.livejournal.com]

Не хочу. Происшествия разные бывают. Вы же для демагогии нагнетаете жуть. Именно что посмотрим, но не на демагогию и нытье. На них смотреть не надо. Все что вы написали надо смело игнорировать.

[antontsau.livejournal.com]

беспилотник в свое время прекрасно делали из летающей крепости, 80 лет назад летало, и почти никто не умер.

Крупнейшие современные самолеты это сотни тонн нагрузки. Там проблема не в самой массе, а в сбросе такого единоразового груза, это натурально цирковой номер.

[jr0.livejournal.com]

Вот уж автоматизировать сброс в кабрировании умеют прекрасно и давно. Собственно, назовите, когда такое не получалось. Тем более что Roc и этого не надо.

[antontsau.livejournal.com]

Вот только кабрирования всяким 747 и не хватало, сначала с перегрузочкой этак 2г на полной массе а потом невесомостью. Не бомбер.

[jr0.livejournal.com]

B747, разумеется, круче очень многих бомберов. Ему людей возить каждый день, десятилетиями, в любую погоду. Пока бомберы по полгода у забора стоят. Допустимая перегрузка почти любого лайнера — 2.5 ед. Притом, разумеется, намного большие запасы прочности, чем у военных. Хотя бы потому что авиакомпания не захочет терять свой актив в сотни млн.

[antontsau.livejournal.com]

2.5г в овации это вообще ничего. Так, виражик заложить или wingover/lazy8 соорудить, А на 747 это максимум дозволенного. Чуть передавил и оно уже крылышками бякбяк. Регулярно еропланчики списывают потому что попал в турбулентность, перегрузился и все, чинить бессмысленно. И хорошо еще если не развалился, хотя это больше характерно для мелочевки, крупные в такие условия не суются.

Запас прочности там полтора, это просто сертификационные требования — не должно развалиться от полуторной перегрузки. Так что запасы больше никто и не делает, каждый такой запас это тонны веса, которые надо с собой таскать в каждом полете.

[jr0.livejournal.com]

Кто вам сказал, что ничего? Здесь аэропланчик не спишут. Бомбардировщики же попросту в тысячи раз меньше летают. Запасы прочности там таковы, что авиакомпания или берет или сторонится марки, как слишком нежной. Примеры таких неудач производителей есть.

Что за манера использовать бессмысленно-оценочные слова? Добро бы вы были всемирный эксперт по списанию B747.

[antontsau.livejournal.com]

Запаса в гражданской авиации нет ВООБЩЕ. Есть даже специальная такая скорость Va — при ее достижении ероплан можно разломать всего лишь бодрым рулением, потянуть ручку в пузо от него крылышки и отвалятся. Для тяжелых транспортных машин она меньше крейсерской. И тысячи часов для этого летать не надо, достаточно адной таблэтки. Разово.

Ну кек бе пилотская лицензия у меня более-менее есть, а что?