Космический беспилотник

Немногим ранее была затронута тема беспилотных летательных аппаратов, среди которых есть такие, которые стремятся быть похожими на искусственные спутники Земли, а что на счет беспилотников действительно высокого полета?

Поверхностный взгляд на технологию

Идея отправлять самолеты на суборбитальный и орбитальный полет зародилась давно и это, как правило, милитаристская затея обретения летающей платформой сверхвысоких скоростей для преодоления зон противовоздушной обороны. Задачи летающей платформы определяются полезной нагрузкой, берущейся на борт. Самое безобидное это фото или видеоаппаратура, средства ведения радиоэлектронной разведки.

Первенцев в этой области называли ракетопланами и их первыми задачами были: исследования прочности материалов, температурной защиты и прочих вопросов, так или иначе связанных со взаимодействием с плотными слоями атмосферы при снижении с суборбитального полета.

Затем началась программа космического челнока Space Shuttle и затем начались испытательные полеты советского орбитального самолета "Буран".   

Особенностью технологии является возвращение самолета из космического пространства на аэродром. Основное преимущество - сохранение части оборудования в целостности в отличии от технологии вывода в космос аппаратов с иными схемами посадки (парашютирование на воду или земную поверхность). Парашютные системы не способны опускать на Землю оборудование, обладающее большой массой, поэтому технологически предусмотрена расстыковка небольшого посадочного модуля со всем остальным оборудованием и сгорание последнего в плотных слоях атмосферы.

Достоинство является и недостатком: при цене вывода килограмма массы на околоземную орбиту в десяток-другой тысяч долларов выводим 105 тонн (орбитальный самолет) ради 30 тонн полезного груза… А потом идет процесс ремонта тепловой защиты, являющейся расходным материалом. Экономика пока что говорит о том, что это не очень то экономно.

Что? Опять?

Примерно 10 лет назад свой первый космический полет совершил летательный аппарат очень похожий на орбитальный самолет программы Space Shuttle, но сильно уменьшенный в габаритах. На рисунке ниже представлены основные проекции изделия и линейка для понимания его линейных размеров.

Заглянем внутрь орбитального беспилотника. В районе центра тяжести аппарата располагается отсек для транспортируемого оборудования (Experimental Bay). Далее, продвигаясь к носу, располагается бак для керосина c присадками против образования льда (JP-8 Tank), после располагаются системы управления и контроля внутренних параметров (Avionics & Environment Control), на самом носу располагается система двигателей ориентации (RCS Thrusters).

Теперь продвигаемся от отсека с оборудованием к хвосту. Довольно много места занимает бак с перекисью водорода (H2O2 Tank), далее располагаются двигатели ориентации с баком топлива для них и основной двигатель (Main Engine).

Выбранная топливная схема довольно понятна. Еще со времен запуска первого искусственного спутника Земли в 1957 году технология сжигания керосина в кислороде себя хорошо зарекомендовала. В отличии от выводящих на орбиты грузы ракет, кислород на этом летательном аппарате запасен в молекулах перекиси водорода, что тоже понятно. Длительное пребывание сжиженного кислорода на орбите под лучами Солнца слишком сложная техническая задача. После заправки ракет на Земле из криогенного оборудования жидкий кислород начинает нагреваться и расширяться и чтобы сбрасывать лишнее давление приходится его выпускать.

Разложение перекиси до воды и кислорода операция сравнительно простая, что даже послужило поводом для экспериментов над новыми схемами двигателей в подводных лодках. Однако, атомная энергетика в итоге взяла верх.

Двигатели ориентации традиционно работают на самовоспламеняющемся топливе на основе производных высокотоксичного гидразина. Скорее всего именно по этой причине обслуживающий персонал встречает беспилотник в изолирующих костюмах.

По информации из открытых источников: "Самолёт предназначен для функционирования на высотах 200—750 км, способен быстро менять орбиты, маневрировать. Предполагается возможность выполнять разведывательные задачи, доставлять небольшие грузы в космос (также и возвращать)." Почему в эта фраза подвергается сомнению?

Небольшое расследование

Достаточно посмотреть на размеры бака с керосином. Габариты близки к цилиндру, диаметром 1 метр и высотой 0.5 метра (смотрите рисунок с линейкой и внутреннюю компоновку). Оценим объем бака: V = (3.14 /4)*0.5=0,39 кубометров (по формуле объема цилиндра). Повар в армейской столовой борщ варит в гораздо больших объемах. Давайте посмотрим насколько это малозначительно для таких космических задач.

По самым грубым оценкам можно оценить энерговыделение топлива на борту и посмотреть на что этого может хватить. Теплота сгорания бака керосина около 43 МДж/кг * 390 * 0,81 = 13 583 МДж.

Взлётная масса X-37: 4989 кг. Кинетическая энергия аппарата на орбите при первой космической скорости 7,91 км/с: 5000 кг * 62,5 * 1000 000 / 2 = 156 420 МДж. Таким образом, запасенная в топливе энергия составляет менее 10 % от кинетической энергии самолета на орбите. На что хватит этой энергии?

Расходы

Во-первых, не будем забывать, что для снижения с орбиты космическому аппарату нужно затормозиться, от классической механики никуда не уйти. По самым оптимистическим оценкам (100% КПД двигательной установки) при торможении главным двигателем скорость можно сократить всего лишь на 1/3, потому, как в формуле кинетической энергии она присутствует с квадратом.

Можно утверждать, что такое падение скорости избыточно, так как достаточно на несколько процентов уменьшить скорость от первой космической чтобы любое тело за несколько витков оказалось захвачено остатками атмосферы планеты. Все что остается это совсем скудный запас энергии на изменение параметров орбиты.

Какие варианты возможны? Первый - это увеличение высоты орбиты, второй это изменение наклонения. Если с первым все понятно, необходимо приращение потенциальной энергии, то со вторым нужны пояснения.

Для начала представим, что аппарат проходит ровно над экватором, это нулевая широта и, соответственно, нулевое наклонение. Зона действия спутника при такой орбите - узкая полоска планеты вдоль экватора. Чтобы достигать более северных и южных широт, необходимо наклонить орбиту.

При достижении наклонения в 23 градуса (рисунок выше) спутник достигает широт 23 градуса и может пролететь над Египтом и Саудовской Аравией.

При достижении наклонения 82 градуса пролет спутника возможен по самым северным широтам, кроме того происходит периодический пролет экваториальных областей и заход над Антарктидой. Для смены наклонения космическому аппарату необходимо работать главным двигателем в перпендикулярном по отношении к вектору текущей скорости направлению. Насколько это затратно? Если говорить грубо и на пальцах, то изменение вектора скорости это настолько же затратно, как и изменение скорости до проекции нового вектора скорости на старый вектор скорости.

Проекция нового вектора скорости на старый вектор скорости снижается при изменении наклонения орбиты.

Если объяснение получилось замороченным, то вывод все равно однозначный - возможности по маневру беспилотника на орбите с таким баком керосина более, чем скудные. Все яркие описания возможностей из открытых источников - не более, чем слова. Все оценки это самая оптимистичная никогда не достижимая граница. Реальность будет куда более суровой.