ВМКС – Всеазимутальная Многоразовая Космическая Система

Просмотреть картинки списком

Автор: Александр Колмайер, 10 класс (г. Ульяновск, Муниципальное образовательное учреждение дополнительного образования детей «Детско-Юношеский Аэрокосмический Центр «Буран» (МОУ ДОД ДЮАКЦ «Буран»).

Научный руководитель: Юрий Иванович Донин (летчик-инженер, директор МОУ ДОД ДЮАКЦ «Буран»).

Введение

Не секрет, что самым дорогим в космическом аппарате является первая ступень, поскольку для нее требуются самые мощные двигатели, и зачастую она «погибает» при запусках (например, разбивается о землю после отстыковки). А ведь есть корабли и со второй ступенью, на которую требуются тоже двигатели. Сейчас стоимость двигательных установок составляет порядка 40%(!) стоимости всего ракетного комплекса. Значит одним из выходов из этой ситуации является строительство космических аппаратов, при запуске которых двигатели оставались целыми, проще говоря, многоразовых космических аппаратов. Анализируя тактико-технические характеристики носителей, особенно перспективных, нередко приходишь к выводу, что для первой ступени высочайшие удельные характеристики двигателей не нужны. Для многоступенчатой ракеты гораздо важнее совершенство верхних ступеней.

Разработка Центра Келдыша

Специалисты Центра Келдыша предложили интересный вариант. Востребованной будет основа – первая ступень. Она самая дорогая. На нее можно ставить разные варианты вторых ступеней; например, на кислороде и водороде – для тяжелых грузов или на кислороде и метане – для более легких. Второй вариант вдвое-втрое дешевле. Да, «кислород-метан» будет выводить в 1.5–2 раза меньше, но ведь не нужно при каждом запуске обязательно выводить на орбиту «штатные» 25 т? Более дешевая метановая ступень позволяет запускать 12–17 т, что тоже немало.

Можно подвешивать на первую ступень твердотопливные ускорители – они не меняют полей падения. Например, при старте из Капустина Яра – там только одно штатное поле падения – ускорители «ложатся» на территории космодрома. Но при этом они увеличивают полезный груз в два раза.

ВМКС. Принцип работы (см. пояснительные рисунки).

Нами была взята основа разработки Центра Келдыша и немного переработана, с учетом сохранения большего числа дорогостоящих компонентов. Первая ступень выводит корабль до высоты ~63км и сообщает скорость ~2450м/с (т.е. 1/3 необходимой скорости), далее вторая ступень вместе с дополнительным баком достигает высоты ~200км и после летит только вторая ступень (бак отстыковыается). В чем же плюс такой системы? Все просто, на баке второй ступени нет двигателей, это только «хранилище» топлива. После выполнения своей задачи первая ступень благополучно возвращается на базу. Получается, при запуске ракеты, мы теряем только алюминиевый (или из других материалов) бак, на котором практически отсутствует дорогостоящие оборудование. Двигатели обоих ступеней сохранены. Для первой ступени предпочтительно использовать 6 двигателей РД-191, а для второй ступени двигатели РД-704 (см. таблицу).

Почему для первой ступени нужно использовать именно шесть двигателей, ведь можно и меньше? Да потому что стоимость многоразовых аппаратов намного превышает стоимость одноразовых, и в случае технической неполадки двигателей остались резервные двигатели, которые смогут вывести аппарат на орбиту. В роли второй ступени выступает космический аппарат, выполненный по самолетной (многоразовый) схеме. Для нее предпочтительнее использовать трехкомпонентные двигатели РД-704 или аналогичные, поскольку они могут работать в двух режимах: сначала как двигатель первой ступени, при этом в камере сгорания сжигаются традиционные для «околоземного» участка кислород (81,4%) с керосином (12,6%), и к ним еще добавляется водород (6%), а затем как двигатель второй ступени: на этот раз в той же камере сгорания сжигаются доказавшие свою эффективность на «космическом» этапе полета кислород (86%) и водород (14%). Добавка водорода в первом режиме позволяет на 23% повысить одну из ключевых характеристик двигателя - удельный импульс: с 337 секунд (удельный импульс ракетного двигателя измеряется в секундах) в традиционных кислородно-керосиновых ЖРД до 415 секунд. Суть всей этой системы сводится к одному – многоразовость. После цикла запуска теряется только подвесной бак, заменив который система готова к запуску.