Перебросить вагон оружия на другую сторону Земли за 50 минут – сегодня фантастика. Но, похоже, приходит время сделать ее реальностью. Кто и как решит эту невероятную задачу? Об этом вы узнаете из рассказа Naked Science.
Жаркое афганское небо повисло над аэродромом Баграма, словно продолжая собой нагретую трехкилометровую взлетно-посадочную полосу. Неподалеку раскинулась большая площадка, выложенная такими же горячими бетонными плитами. Голубой воздух застыл над заснеженными зубьями отрогов Гиндукуша, окаймляющих горизонт. Далеко-далеко в небе возникла яркая точка. Она появилась на западе в виде быстрорастущей звезды. Увеличиваясь на глазах и оставляя в небе белый след, звезда снизилась, пройдя над широкой Чарикарской «зеленкой» и известив о своем прибытии далеким гулом в небе. Через несколько секунд огромное, сверкающее на солнце вытянутое тело застыло на площадке в грохоте и клубах поднятой с бетона пыли. Большой, но недолгий путь завершен. Баллистический борт с оружием прибыл.
Суборбитальный путь
Движение вокруг Земли в космосе, когда движущееся тело не покидает тяготение планеты, происходит по замкнутым кривым – орбитам. Они имеют форму эллипса – в соответствии с законами небесной механики. Дальняя от Земли точка эллипса называется апогеем, а ближняя к Земле – перигеем. Поднимаясь от перигея в апогей и оттуда снова спускаясь к перигею, тело совершает полный оборот вокруг планеты.
Для высоты перигея есть ограничения: чтобы выполнять оборот по орбите, нужно проходить перигей без проблем. Для этого он должен располагаться в космосе, как и вся орбита. Однако можно задать бесчисленное множество орбит, перигей которых находится ниже поверхности Земли. Такая орбита не может обеспечить полного оборота по ней, поскольку полет в недрах Земли невозможен. Подземная часть этой орбиты точно соответствует законам небесной механики и верна математически, но в действительности непроходима.
Зато вполне реальна верхняя часть орбиты, расположенная над поверхностью Земли. У нее есть космический участок, проходящий по высотам более 100 километров, назначенных условной границей космоса и атмосферы. Обычно это наиболее протяженный основной участок с точкой апогея наверху. Там, где орбита проходит через атмосферу, возникают два атмосферных участка, окаймляя собой космическую дугу. А вся надземная часть орбиты начинается и заканчивается точками на поверхности Земли. Которые становятся точками старта и падения.
Движение тела по космической части орбиты с подземным перигеем полностью подчиняется законам небесной механики, это полноценное орбитальное движение. Поэтому всю надземную, реальную часть такой орбиты назвали суборбитальной траекторией. Атмосферные участки на подъеме в космос и возврате из него в атмосферу дополняются аэродинамическими силами, вносящими дополнительные черты в движение тела. И, наконец, сила тяги двигателей может сильно изменять движение, внося характерные особенности на стартовом и конечном участках полета по суборбитальной траектории.
Человек давно освоил суборбитальное движение, используя его для исследовательских, технических и главным образом боевых задач. Первые суборбитальные полеты, в их частном случае простого вертикального подъема и падения, выполнила ракета V-2 Вернера фон Брауна в 1944 году в германском ракетном центре Пенемюнде, поднявшись до высоты 188 километров. Дальнейшее развитие баллистических ракет строилось на широком использовании суборбитальных траекторий, достигая апогея (в переносном смысле) на межконтинентальных дальностях и поднимаясь к апогею (в прямом смысле) на высоте 1000-1300 километров.
Очень дальние ракеты
При дальностях пуска баллистических ракет порядка 12-15 тысяч километров скорость суборбитального движения боеголовок приближается к скоростям низкоорбитальных спутников, достигая семи километров в секунду. Это обеспечивает два важных показателя: исключительную быстроту доставки заряда к цели и трудность перехвата боеголовки.
Для оружия это очень важные, ключевые моменты. Именно ради быстроты и надежности доставки и была освоена боевая суборбитальная баллистика в лице баллистических ракет. Собственно, других баллистических ракет сегодня не существует: все они являются оружием, несущим боевой заряд или заряды. И этот боевой статус баллистических ракет, в том числе межконтинентальных, сохраняется с самого момента их создания уже более 60 лет.
С развитием баллистической матчасти (техники) суборбитальная баллистика может расшириться в другие, сегодня не освоенные области. Одна из таких областей – транспортная. Межконтинентальная ракета – дорогое одноразовое средство, очень быстро доставляющее в практически любую точку Земли небольшой груз. Термоядерный заряд поразительно компактен для своей мощности. Это позволяет сделать баллистическую ракету тоже компактной и относительно небольшой по сравнению с космическими носителями. А стратегическая боевая задача оправдывает практически любой уровень расходов на производство и эксплуатацию таких боевых средств, беспрецедентно мощных в военном отношении.
Старт тяжелой баллистической ракеты Р-36М2 (15А18М) в конверсионном варианте в качестве ракеты-носителя «Днепр». Фото: Flicr.com.
Вероятно, можно создать ракету, доставляющую по суборбитальной траектории гораздо больший груз, во многие десятки тонн. Но, чтобы это было оправдано, необходимы соответствующие расклады. Срочность такой доставки, превосходящей на порядок по быстроте все самые быстрые виды сегодняшнего транспорта, может быть оправдана снова военной необходимостью, часто превосходящей гражданские резоны. Одновременно сам суборбитальный транспорт должен стать менее затратным в производстве и действии – тогда и сложатся условия для такой многотоннажной транспортировки.
80 тонн и их доставка
Похоже, такие условия сегодня как раз складываются. В октябре 2020 года информационные ресурсы облетела новость о контракте, который SpaceX Илона Маска вместе с техасский аэрокосмической компанией Exploration Architecture Corporation, или ХArc, заключила с Министерством обороны США. В рамках соглашения проведут НИОКР по созданию баллистической ракеты большой грузоподъемности, которая сможет доставить 80 тонн военного груза, в том числе оружия и боеприпасов, на дальность порядка 15 тысяч километров. Контракт предусматривал уже в 2021 году демонстрационные испытания по теме контракта.
Согласно примеру, озвученному главой Транспортного командования США генералом Стивеном Лайонсом (Stephen Lyons), такая ракета должна доставлять груз массой 80 тонн с космодрома на мысе Канаверал во Флориде на американскую военную базу на аэродроме в Баграме (Афганистан). Расстояние между ними составляет около 14 170 километров (смотря с каких стартовых площадок Флориды производить запуск). Баллистически такая дальность преодолевается за менее чем 50 минут.
80 тонн – это железнодорожный вагон (75 тонн) с перегрузом в пять тонн. И это на пару тонн больше максимальной загрузки основного военно-транспортного самолета США Boeing C-17 Globemaster III. Такой дозвуковой самолет с крейсерской скоростью около 850 км/ч проделает такой путь не за 15 часов, как писали многие источники, а за куда большее количество времени. Потому что будет лететь не по ортодромии – кратчайший линии на поверхности Земли между точками старта и назначения, – а отведенными ему проходами в национальных воздушных пространствах. Полетное время увеличится еще сильнее из-за обхода грозовых фронтов и действия встречного и бокового ветра.
Военно-транспортный самолет Boeing C-17 Globemaster III. Фото: Flicr.com
По сравнению с воздушным способом доставки заатмосферная грузоперевозка движется наиболее коротким, прямым маршрутом, его трасса (наземная проекция траектории) – ортодромия. Такая доставка не требует разрешения государств на пролет их воздушных пространств, не испытывает ветровых сносов с добавочным расходом топлива, не обходит грозовые атмосферные фронты, оставшиеся в сотнях километров внизу.
Кроме того, космическая высота и быстрота движения защищают баллистический транспорт от средств ПВО на основном, заатмосферном участке полета. Что для военных грузов считается важным фактором.
Выбор общей схемы
Как будет летать такая суборбитальная транспортная ракета? Два аспекта предполагают ее многоразовость: экономическая целесообразность многих полетов одного баллистического борта. И растущая практика повторного использования в уже работающих и создаваемых конструкциях Илона Маска.
Многоразовость потребует мягкой посадки в точке назначения и возможности обратного полета. Что, в свою очередь, требует некоторой заправки ракеты в точке назначения. Возможна частичная заправка ракеты для ее перелета на относительно небольшое расстояние в соседний регион, где будут обеспечены достаточная для возвращения во Флориду заправка и оперативное межполетное обслуживание.
Топливо – тоже важный вопрос. Вероятнее всего использование метан-кислородных двигателей, удешевляющих заправку ракеты. Кроме того, метан распространен в плане всевозможной транспортировки, а кислород можно добывать в любом месте из воздуха, построив мобильный комплекс по сжижению атмосферного кислорода. С учетом близкого начала эксплуатации метан-кислородных двигателей такая топливная пара наиболее вероятна.
Полет баллистического борта
Скорее всего это будет достаточно крупная одноступенчатая конструкция, с вертикальным стартом. Работа двигателей в течение трех-четырех минут закончится на высоте 60-80 километров с формированием будущего района входа в атмосферу, лежащего на большой межконтинентальной дальности. Дальнейшая, основная часть суборбитального полета вряд ли преподнесет сюрпризы. Такие траектории будут оптимизированы главным образом по энергии и не покажут нам специфические черты движения современных боевых межконтинентальных баллистических ракет (в виде специальной настильности траектории или маневрирования на активном участке). Иными словами, транспортная суборбитальная баллистика будет повторять баллистическое движение первых боевых межконтинентальных ракет. То есть просто баллистика, минимально необходимая энергия движения для достижения заданной дальности.
Наиболее интригующими станут вход в атмосферу и посадка. Всю полученную общую энергию, потенциальную (высоты) плюс энергию движения, придется гасить. Делать это можно и двигателями, и аэродинамически, силой сопротивления воздуха, встречая на каждом пути свои трудности.
Аэродинамика при входе в атмосферу проявляется в форме силовых и тепловых нагрузок. На больших дальностях скорость входа достигает значений числа Маха порядка М=20. Это создает очень высокие степени сжатия набегающего потока поверхностями аппарата, с кратностью во многие десятки раз. Что, в свою очередь, повышает температуру такого сжатого газа до нескольких тысяч градусов. Будучи плотно прижатым к поверхности аппарата, газ сильно нагревает корпус аппарата. Необходимы теплозащитные решения, и использование одновременно жаростойких и жаропрочных материалов для наружных частей конструкции.
Силовое воздействие потока складывается из трех составляющих. Большие наружные давления будут обжимать обшивку и стремиться смять ее. Что и произойдет в случае потери устойчивости конструкции под этой нагрузкой. Нужен запас прочности, укрепление корпуса внутренними силовыми элементами (вроде лонжеронов, шпангоутов и переборок), усложняющих и утяжеляющих конструкцию.
Часть аэродинамических сил будет переменной, создавая разного рода вибрации. Они потребуют укрепления силовых, электрических, гидравлических и прочих соединений. А также расчета конструкции ракеты на стойкость к вибрациям, анализа резонансов, предотвращения их развития до разрушающих уровней.
И третий фактор силового воздействия набегающего потока – перегрузка. Так называется в технике состояние длительного ускорения, в данном случае с отрицательным знаком – торможения. Перегрузка даст добавочное силовое нагружение элементов конструкции там, где нет прямого воздействия сжатого потока. Перегрузка увеличивает вес любого элемента на борту ракеты и его давление на нижележащие (по направлению действия перегрузки) части конструкции. Возрастают давления жидкостей в нижних частях баков и трубопроводах, возникают изгибающие моменты в протяженных оболочках и конструктивных элементах. 80 тонн груза при двухкратной перегрузке будут весить уже 160 тонн, при трехкратной – 240 тонн, при четырехкратной – 320 тонн. А это уже полностью нагруженный скальной породой карьерный БелАЗ, а не какой-то там вагон. Груз не должен проломить своим кратно выросшим весом переборки или крепления, на которых он расположен. Обеспечение работы в перегрузке всех силовых элементов, агрегатов и систем ракеты даст свою прибавку массы конструкции.
Поэтому вход в атмосферу транспортной суборбитальной ракеты будет построен под небольшие перегрузки, не требующие значительного утяжеления конструкции. Но как этого добиться?
Перегрузка торможения в атмосфере – это производное текущих скорости и плотности воздуха. А также конструктивных и динамических моментов: обтекаемости формы ракеты, ее баллистического коэффициента на разных скоростях, и ориентации ракеты к потоку. Сочетание скорости полета и плотности воздуха программируется углом входа в атмосферу. С пологим углом входа самые высокие, начальные скорости долгое время сочетаются с самыми верхними, неплотными слоями атмосферы. Силовое действие которых еще невелико, и потому плавно и постепенно тормозит ракету. Она подходит к плотным слоям атмосферы с уже сниженной скоростью, не позволяя вырасти перегрузке.
Решаем все вопросы с динамикой полета
Угол входа в атмосферу задается всей основной частью траектории, и ее энергетической оптимальностью. Поэтому с углом входа существенно не поиграешься. Снижать скорость входа рационально двигателями. Это позволит замедлиться еще на подходе к атмосфере, снижая скорость входа и давая воздуху время подольше поработать с аппаратом. Так снизится вес конструкции, уменьшится требуемый запас прочности и масса теплозащиты. Но, с другой стороны, увеличится запас топлива на торможение, которое придется везти с собой, разгоняя на старте еще большим количеством топлива.
Какая масса сработает лучше и эффективнее в плане гашения скорости – масса топлива или масса теплозащиты? Какой из этих масс отдать предпочтение и сколько выделить для решения задачи торможения? Это вопросы конструктивного и функционального совершенства двигателей и теплозащиты. Вернее, распределения ролей между ними. Понятно, что часть гашения скорости возьмет на себя аэродинамика ракеты, и часть – работа двигателей и запас топлива для них. Как оптимально распределить массу (теплозащиты и топлива), обеспечивающую торможение в нужном режиме?
Сначала проектируют полеты, потом по этим данным – корабли.
Непростой выбор конкретных соотношений станет результатом сложной и многогранной конструкторской работы нескольких групп создателей ракеты. В итоге получится алгоритм снижения: где и сколько тормозить корпусом (как его ставить при этом относительно потока); где, сколько раз и на какое время включать двигатели. Сочетая работу двигателей и аэродинамическое торможение, специалисты по динамике полета обеспечат допустимый уровень перегрузок на борту и оставят тепловое и силовое воздействие на ракету в рамках допустимых значений.
Не будем погружаться в конфигурации ударных волн, охватывающих ракету в плотных слоях атмосферы на сверхзвуковых режимах полета. Оставим обзор органов управления полетом и их эффективность, как и оценку компонентов бортовой системы управления полетом. Не будем углубляться в возможные крупномасштабные маневрирования на атмосферном участке и развороты с глубоким креном, как у Шаттла. Хотя все это интересные темы. Отметим лишь, что прицеливание на снижении не должно приходиться в саму точку приземления. Отказы техники всегда возможны, тем более у такой сложной, как тяжелая суборбитальная ракета. И в случае аварии на последнем участке полета ракета разобьется не на посадочной площадке, повредив ее и ближние сооружения и технику. А где-то в стороне, пусть и неподалеку, в безопасном месте предварительного прицеливания. Вероятно, последние километры окажутся полностью вертикальными, в режиме управляемого парашютирования корпусом, который демонстрируют испытания посадки Старшипа.
Но вот основной атмосферный участок пройден, посадочная площадка уже вблизи. Быстро проводятся контрольные проверки своего движения, текущих остатков топлива и посадочной массы, готовности бортовых посадочных систем. Ракета слегка меняет свое движение, переводя точку посадки из места предварительного прицеливания на посадочную площадку. Задействуются линии связи с наземным посадочным оборудованием. Активируются посадочные опоры и двигатели в режиме мягкого касания. Грохот реактивных струй стихает, остаточное пламя истощается и перестает рваться из реактивных сопел. Оперативная послепосадочная проверка бортовых систем выдает общий «окей». 80 тонн груза успешно доставлены, начинаются операции по выгрузке прибывшего вагона. Пара гроздей кокосов, срезанных два часа назад с пальм на флоридском побережье, вызывают смех и шутки здесь, на авиабазе Баграм недалеко от Кабула, на северо-западе Афганистана, в сердце Азии.
Другая схема доставки? Тоже можно!
Посадку можно сделать географически недалеко от старта – подобно тому, как ее выполняют ступени Falcon 9. Детали приземления ракеты в этом случае не так важны. Важно то, что отпадает необходимость ее новой заправки в точке назначения и обратного перегона на межконтинентальную дальность для возвращения на космодром. Это экономит ресурс транспортного средства – и двигателей, и всех других бортовых систем, продляя его эксплуатацию.
В такой конфигурации суборбитальной доставки груза на место назначения прибывает только относительно небольшая и компактная часть ракеты, содержащая заданные 80 тонн оружия и боеприпасов или другого военного груза. В силу компактности забрасываемой части ракеты там не окажется много места для криогенных компонентов топлива, неплотных и требующих бортовых объемов. На первое место в торможении тогда однозначно выступает аэродинамика. Но угол входа в атмосферу, как мы помним, будет задан энергетической оптимальностью основной баллистики, а она потребует набора достаточно большой высоты для достижения большой дальности. Вход в атмосферу не будет слишком пологим, превращаясь в крутую горку с большими перегрузками входа в воздух. Придется искать новые эффективные решения.
Мы отмечали, что «человек освоил суборбитальное движение для исследовательских, технических и боевых задач». Что это за технические задачи такие? Это техника посадки космических аппаратов. Пилотируемые спускаемые аппараты переходят тормозным импульсом двигателя на суборбитальные траектории и растягивают свое торможение по верхним слоям атмосферы, снижая уровень перегрузок. Они это делают за счет аэродинамической подъемной силы, располагая под требуемым углом атаки свой корпус в гиперзвуковом потоке и создавая преобладающее сжатие потока снизу аппарата. Это замедляет их снижение и растягивает его во времени, позволяя неплотным слоям долго и понемногу съедать скорость аппарата.
Как сыграть с атмосферой
Капсуле суборбитальной ракеты с грузом 80 тонн придется стать аэродинамически активным аппаратом, создающим подъемную силу. Капсула тоже может расположиться под углом атаки, как спускаемый аппарат корабля «Союз». Но 80 тонн груза обладают большой инерцией, и изогнуть траекторию их снижения в более горизонтальную не так легко. Тем более в верхних слоях, где аэродинамические силы еще слабы. Для этого нужны развитые аэродинамические поверхности – крылья. Выдвижные и раздвижные крылья известны у многих классов летательных аппаратов – от многочисленных крылатых ракет и планирующих бомб до самолетов самого разного тоннажа и назначения, включая Ту-160. Возможно, пришло время ввести выдвигаемые крылья в суборбитальную баллистику. На сверхвысоких скоростях начала входа в атмосферу такие аэродинамические плоскости были бы весьма эффективны.
Конечно, встанет вопрос о тепловом воздействии на такие крылья, их работе и сохранении в крайне трудных условиях. Но и здесь возможны многочисленные варианты решений. Сохранение? А зачем? Возможны обгорающие крылья, переводящие снижение в кардинально более пологое и этим полностью вырабатывающие свой ресурс. Тогда они сбрасываются, и взамен выдвигаются новые крылья. Ведь на подобных скоростях крылу не надо быть большим и размашистым – гиперзвук высоких значений числа Маха создает огромные силы и на очень небольших площадях и размерах. Может, нужную силу создадут короткие жесткие плоскости, как у служебного отсека Crew Dragon?
Как бы там ни было, аэродинамика переведет многотонную капсулу с грузом в максимально пологий режим снижения, в котором атмосфере будет отведена главная роль. В этом сценарии выдерживается как можно более долгое гиперзвуковое планирование, переходящее в планирование сверхзвуковое. Гиперзвуковое маневрирование, используемое сегодня для боевых систем с зарядом на борту, дополнится транспортным гиперзвуковым планированием – тоже с оружием на борту, но лишь в качестве доставляемого пользователям груза. С задачей планирования не в боевой дальности, а в правильном торможении.
Погасив скорость до низкого сверхзвука, многотонная капсула перейдет на дозвуковое снижение в ближайших километрах от земли. Здесь очевидно применение управляемых транспортных парашютных систем. Опускание на парашютах 80 тонн одной единой массой – пока не решавшаяся задача. Но это верно и в отношении всей суборбитальной транспортной баллистики. Транспортные парашютные системы – большая область, интенсивно развивающаяся. Вероятны решения по парашютному приземлению всей капсулы, либо по ее разделению на несколько модулей меньшей массы – смотря что будет представлять собой военный груз, допускающий такое разделение. В этом случае процесс аналогичен хорошо используемому десантированию с самолетов бронетехники и десятитонных платформ с грузами. Возможна специализация под такую баллистическую переброску бронетехники сразу целого подразделения. С боекомплектом и топливом.
Десантирование бронетехники. Фото: Flicr.com
Поезда небесных вагонов
По итогам такого сценария доставки многоразовое баллистическое средство отправки – суборбитальная ракета – не выйдет за территорию своего государства и вернется на старт в ходе пуска или недорогой наземной либо морской транспортировкой. А военный груз в 80 метрических тонн, небесный вагон, полетит дальше по баллистическим суборбитальным рельсам. Он прибудет в географический район доставки и приземлится в заданной точке. С дальнейшим повторным использованием разбираемого корпуса капсулы и ее парашютных систем, подобно обычной авиадесантной технике.
Но вернемся в сегодняшний день. Фаворитом крупнотоннажного суборбитального транспорта пока выглядит Starship компании SpaceX, создание которого ведется чрезвычайно быстрыми для техники такого масштаба темпами. ХArc,партнер SpaceX по проекту тяжелой транспортной ракетной системы, занимается наземной частью проекта. В ее зоне ответственности стартовая и посадочная площадка, загрузка-выгрузка борта, заправка, посадочное навигационное оборудование. ХArc показала картинку разгрузки баллистического борта после приземления в джунглях. Тяжелые квадрокоптеры выгружают воздушным способом прибывший груз. А в качестве прибывших и взлетающих вдали бортов легко узнаются Starship.
Разгрузка прибывших грузовых ракет. Источник: Exploration Architecture Corporation (XArc).
Результаты разработок по этому контракту SpaceX не раскрывает. Вероятно, они обнадеживающие. Потому что транспортное военное ведомство США увеличило в 2021 году свои аппетиты. В прошлом году ВВС США официально запустили программу Rocket Cargo как отдельный проект создания баллистического крупнотоннажного транспорта. 28 мая 2021 года ВВС опубликовали ежегодные стандартные бюджетные обоснования (Justification Book), в которых изложены планы использования финансовых средств на 2022 год. В этом документе (часть 2, стр.305) груз вырос уже до 100 тонн, а финансирование разработки такого транспорта в пять раз – с 9,7 в 2021 году до 47,9 миллионов долларов в 2022 году.
Месяцем позже, в июне 2021 года, ВВС США выпустило пресс-релиз, в котором объявлено о включении программы Rocket Cargo в качестве четвертой составляющей Vanguard, портфеля ключевых научно-технических стратегий на ближайшее десятилетие. Это серьезное повышение статуса проекта транспортной баллистики, за которым последует выделение гораздо больших ресурсов разного рода для выполнения работ по Rocket Cargo.
По всей видимости, мы становимся свидетелями возникновения нового типа суборбитальной баллистики – военно-транспортной. Базой ее развития станет создание техники, осуществляющей такие полеты. Выбор сценария суборбитальной доставки задаст конфигурацию транспортной системы, а технологический уровень определит технический облик материальной части. Ее сложность и стоимость покажут, насколько масштабным окажется применение и развитие таких систем.
Будут ли первые создаваемые и передаваемые в летную эксплуатацию образцы работать долгий период более полувека, как летает до сих пор первая космическая ракета? Появится ли флот многоразовых транспортных баллистических бортов? Как можно будет организовать их полеты и расширить их возможности? Возникнут ли тактика применения и новый род войск? Как он будет интегрирован с остальными военными силами и делами? Ответы даст будущее, начинающееся сейчас.
