Научные исследования и космический туризм

В настоящее время среди проектов МТКС реализуются несколько программ по созданию и применению суборбитальных транспортных систем (СТС). Такую технику предполагается использовать в ходе развития космического туризма или для проведения некоторых исследований (в том числе в военной сфере). В числе подобных проектов можно назвать SpaceShipOne и SpaceShipTwo от компаний Scale Composites и Virgin Galactic, SpaceShipThree от компании Virgin Galactic, а также систему New Shepard от компании Blue Origin.

Проекты SpaceShipOne и SpaceShipTwo (рис. 7) предлагают строительство комплекса в составе самолёта-носителя и орбитального самолёта . С 2003 года техника двух типов выполнила испытательные полёты, в ходе которых отрабатывались различные особенности конструкции и методики работы.

Всего аппаратом SpaceShipOne было выполнено 17 полётов. В ходе второго зачётного полёта в 2004 году самолёт поднялся на высоту более 112 км и затем благополучно опустился на Землю. Полёт прошёл без каких-либо сбоев, был побит рекорд высоты для пилотируемых самолётов. Успешное испытание SpaceShipOne, по мнению специалистов, открыло космос для частных полётов.

Рис. 7. Внешний вид КК SpaceShipOne (слева) и SpaceShipTwo (справа)

КК типа SpaceShipTwo может подняться на высоту до 320 км. Для удобства пассажиров в КК имеются окна диаметром 0,43 и 0,33 м, все сиденья откидываются назад во время посадки для уменьшения дискомфорта от перегрузок. Несмотря на то, что проект нацелен на космический туризм и имеет частных заказчиков, он также получает содействие NASA.

С 2010 года SpaceShipTwo выполнил девять испытательных полётов, однако после аварии во время очередного испытательного полёта в 2014 году (сам аппарат был разрушен, один пилот погиб, второй получил серьёзные травмы) проект испытывает трудности. Тем не менее продолжены испытательные полёты другого аппарата из семейства SpaceShipTwo – VSS Unity.

В полёте принял участие председатель правления компании Virgin Group Ричард Брэнсон. В ходе полёта аппарат Unity-22 поднялся на высоту 86 км, где экипаж корабля из шести человек несколько минут пребывал в невесомости.

На данный момент произведено четыре суборбитальных испытания. Первый удачный полёт КК с февраля 2019 года состоялся 22 мая 2021 года. Самолёт-носитель VMS Eve поднял VSS Unity на высоту свыше 13,7 км, после чего корабль полетел самостоятельно. Он достиг точки лунной орбиты, наиболее удалённой от Земли, и вернулся обратно. SpaceShipTwo успешно приземлился на территории космопорта «Америка» в штате Нью-Мексико. Последний на данный момент суборбитальный полёт с экипажем состоялся 11 июля 2021 года.

В полёте принял участие председатель правления компании Virgin Group Ричард Брэнсон. В ходе полёта аппарат Unity-22 поднялся на высоту 86 км, где экипаж корабля из шести человек несколько минут пребывал в невесомости. После этого аппарат вновь вошёл в плотные слои атмосферы и совершил посадку в космопорте «Америка».

Общая продолжительность полёта составила около часа, в ходе которого аппарат достиг скорости порядка трёх Махов. Испытания планируется продолжить, и в случае их успеха программа SpaceShipTwo завершится, а компания приступит к проведению туристических полётов.

Также компанией Virgin Galactic разработан туристический КК третьего поколения из семейства SpaceShipThree (рис. 8). Он получил название VSS Imagine и так же, как и VSS Unity, рассчитан на перевозку восьми человек: двух пилотов и шестерых пассажиров. За исключением зеркальной поверхности, внешний вид VSS Imagine почти не отличается от КК второго поколения. Основные изменения внесены в конструкцию нового аппарата – они позволили снизить вес и увеличить грузоподъёмность, а также улучшить показатели в вопросах технического обслуживания и скорости полёта. При конструировании VSS Imagine активно применялся модульный подход, что облегчило процесс производства новых КК.

Рис. 8. Внешний вид КК SpaceShipThree

Руководство иностранных государств продолжает уделять значительное внимание обеспечению национальной безопасности в околоземном пространстве.

Компания Blue Origin с середины прошлого десятилетия разрабатывает КК New Shepard, выводимый на орбиту с помощью одноступенчатой многоразовой РН Blue Shepard (рис. 9). КК New Shepard полностью управляется бортовыми компьютерами, без наземного управления или участия пилота.

В настоящее время компания провела ряд успешных испытаний по запуску и посадке как РН, так и капсулы (14 для системы New Shepard, 7 – для РН); на борту капсулы были проведены научные эксперименты и исследования по влиянию микрогравитации. Первый туристический суборбитальный полёт New Shepard с экипажем из четырёх человек состоялся 20 июля 2021 года. В составе экипажа находился глава компании Blue Origin Джефф Безос.

Весь полёт продолжался 10 минут 28 секунд, примерно в течение трёх минут экипаж ощущал невесомость. Капсула поднялась на высоту 107 километров, при этом во время разгона РН развила максимальную скорость в 3595 км/ч. Управление КК проходило в автоматическом режиме. Полёт успешно завершился после того, как отделившаяся от РН капсула спустилась на землю на парашютах в пустыне Западного Техаса. Дата следующего полёта New Shepard не была объявлена, но известно, что Blue Origin намерена провести ещё два туристических полёта в текущем году.

Рис. 9. Внешний вид КК New Shepard и РН Blue Shepard

Основные характеристики КК, используемых в целях космического туризма и проведения научных исследований, представлены в таблице 3.

Таблица 3. Основные характеристики и внешний вид СТС

Обеспечение национальной безопасности в околоземном пространстве

Руководство иностранных государств продолжает уделять значительное внимание обеспечению национальной безопасности в околоземном пространстве. В данной области необходимо выделить многоразовый КА (МКА) X-37B, X-37C (компания Boeing), гиперзвуковой КА многоразового использования XS-1 (компания Boeing), многоразовую беспилотную капсулу Space Rider (компании Thales Alenia и Space Avio), экспериментальный суборбитальный беспилотный гиперзвуковой ракетоплан SHEFEX (компания DLR), а также китайский проект многоразового беспилотного КА Shenlong.

Космический аппарат X-37B предназначен для отработки технологий применения многоразовых КА, проведения экспериментов в околоземном космическом пространстве с возможностью последующей доставки их результатов на Землю (рис. 10). Аппарат построен с использованием лёгких композитных структур, которые предпочтительнее, чем традиционный алюминий. Всё авиакосмическое электронное оборудование на X-37B разработано для полной автоматизации функций ухода с орбиты и посадочных функций. Кроме того, на борту X-37B нет гидравлики, для управления полётом и торможением используется электромеханический привод.

Рис. 10. Внешний вид МКА Х-37B

МКА Х-37B создавался для операций на околоземной орбите от 177,1 до 805 км над землёй на номинальной скорости около 28 175 км/ч. Продолжительность нахождения на орбите X-37B может меняться в соответствии с требованиями миссии.

МКА Х-37В способен решать широкий спектр задач:

• скрытный вывод специализированных КА, в том числе спутников в рамках программы создания космических систем быстрого развёртывания на базе малых ИСЗ ORS (Operationally Response Space);
• использование дорогостоящей аппаратуры, возвращаемой на Землю для многоразового последующего применения;
• сбор и доставка на Землю данных ДЗЗ на физических носителях в объёмах, заведомо превышающих возможности радиоканала;
• инспекция, дозаправка и техническое обслуживание долговременных орбитальных платформ, в том числе в интересах оценки работоспособности спутников, перекачки топлива и иных жидкостей, замены компонентов бортового оборудования и проведения других операций с целью продления сроков эксплуатации и повышения оперативных (в частности манёвренных) возможностей аппаратов различного назначения;
• отработка перспективных космических технологий и решение других специализированных задач.

Также в 2011 году компания Boeing объявила о планах создания увеличенного варианта X-37B . Предполагается, что новый МКА X-37C будет иметь размер от 165% до 180% от размера X-37B, что позволит ему обеспечивать доставку объёмных грузов и / или людей в отдельной герметичной капсуле, расположенной в грузовом отсеке. При этом подобная нагрузка не должна помешать аппарату совершать совместные с другими КА или космическими объектами полёты, стыковку, сход с орбиты, вход в плотные слои атмосферы и приземление.

Компания Boeing по заказу Министерства обороны (МО) США и Управления перспективных исследовательских проектов МО США (DARPA) реализует проект экспериментального гиперзвукового воздушно-космического самолёта XS-1 (Experimental Spaceplane One) (рис. 11). Беспилотные летательные аппараты (БЛА) XS-1 могут выступать как средства для быстрой замены спутников. Также программа XS-1 позволит США провести эксперименты с гиперзвуковыми аппаратами.

Рис. 11. Внешний вид МКА ХS-1

Согласно предварительным требованиям, перспективный аппарат должен выдерживать серию из одного запуска на орбиту в сутки на протяжении не менее чем 10 суток подряд. При этом в ходе серии запусков XS-1 не должен нуждаться в техническом обслуживании и ремонте. Подготовка к каждому последующему взлёту должна ограничиваться общей проверкой бортовых систем и дозаправкой. В реальности же планируется запускать XS-1 гораздо реже – не более 10 раз.

В МО США планируют создать для ВВС США гиперзвуковые БЛА, обладающие функциями оперативного контроля и наблюдения к 2030 году, а ударные – к 2040 году. Предполагается, что именно к этому времени возникнут необходимые возможности для создания адекватной теплозащиты, двигательной установки и системы управления. По мере освоения технологии и серийного производства БЛА стоимость вывода на орбиту КА снизится, что, по расчётам военных специалистов, сделает эту услугу более востребованной.

Руководство КНР продолжает реализацию космических программ с целью обеспечения технологического и военного превосходства нации в вопросах создания новых образцов вооружения и военной техники.

Среди европейских разработок в этой области необходимо выделить проект Space Rider, финансируемый Европейским космическим агентством (ЕКА) (рис. 12). Это преобразованный КА IXV (Intermediate eXperimental Vehicle – промежуточный экспериментальный аппарат), создаваемый в рамках части программы ЕКА Future Launchers Preparatory Programme (FLPP), а также являющийся продолжением программ Pre-X космического агентства Франции (CNES) и программы ЕКА Atmospheric Reentry Experimental Vehicle (AREV). КА IXV разрабатывался с целью тестирования широкого спектра технологий, запланированных к использованию в будущих аппаратах многоразового использования, способных многократно взлетать в космос и садиться на космодром.

В 2015 году аппарат успешно выполнил полёт и возвращение. В 2017 году ЕКА поручило разработку нового аппарата компаниям Thales Alenia Space и Avio. Первая построит сам орбитальный самолёт, вторая – его служебный модуль.

Предполагается, что основными целями создания Space Rider, наследника программы «IXV», являются:

• обслуживание МКС и нового поколения спутников;
• научные исследования, в том числе исследование высоких слоёв атмосферы и обследование Земли, например с целью мониторинга катастроф;
• проведение различных экспериментов, в том числе в условиях микрогравитации;
• демонстрация и испытания на орбите технологий ДЗЗ.

Рис. 12. Внешний вид КА Space Rider

КА Space Rider представляет собой многоразовую капсулу, которая сочетает в себе достоинства IXV с многоцелевым КА, с открывающимся в космос грузовым трюмом, посадочным оборудованием и обновлённой конструкцией, усовершенствованной для обеспечения многоразовости использования (до пяти раз). КА Space Rider планируется запустить в 2023 году с использованием РН Vega-C с верхней ступенью AVUM+.

Ещё один европейский проект SHEFEX (Sharp Edge Flight Experiment) – экспериментальный суборбитальный беспилотный КК, разрабатываемый компанией DLR. Это единственный проект КК, который полностью финансируется и разрабатывается Германией. После успешных гиперзвуковых лётных экспериментов SHEFEX I (2002 год) и II (2012 год) DLR в настоящее время изучает реализацию лётного эксперимента по повторному использованию ReFEx (Reusability Flight Experiment).

Основная цель – демонстрация управляемого автономного полёта с гиперзвуковой скоростью до дозвукового диапазона (более 5 М) и отработка ключевых технологий, необходимых для будущих многоразовых ускорительных систем. Планируется, что КК будет запущен с помощью РН VSB-30 не ранее конца 2021 года.

Принципиальное отличие КК проекта SHEFEX состоит в том, что он имеет совершенно новую, «гранёную» форму, а именно с острыми углами и краями вместо округлых форм, повсеместно используемых сегодня на орбитальных челноках и спускаемых аппаратах.

Разработчики исходят из того, что плоские формы плитки могут быть изготовлены с меньшими затратами, чем очень индивидуальные округлые формы. Таким образом, простая форма плиток SHEFEX должна снизить затраты на обслуживание системы тепловой защиты, также предполагается простая замена плиток в космическом пространстве.

Стоит также упомянуть, что 16 июля 2021 года в Китае были проведены успешные испытания многоразового суборбитального корабля. Название корабля, продолжительность полёта и другие подробности не известны.

Руководство КНР продолжает реализацию космических программ с целью обеспечения технологического и военного превосходства нации в вопросах создания новых образцов вооружения и военной техники. Одной из таких программ является программа разработки многоразовых КК, в рамках которой с 2005 года реализуется проект по созданию автоматического многоразового КК Shenlong (Shén lóng kōng tiān fēi jī, переводится как «Космический самолёт "Дракон"»), разрабатываемый в рамках проекта «921-3» (рис. 13). Проектирование, строительство и испытания КА проводятся Китайской авиационной промышленной корпорацией (AVIC).

Рис. 13. Внешний вид КК Shenlong

Проект предполагает создание экспериментального летательного аппарата, приспособленного для выполнения гражданских и военных задач при его нахождении в ближнем космосе. КК может выводить на орбиту различные грузы, проводить научные эксперименты. Первое лётное испытание такого прототипа с отделением от самолёта-носителя (бомбардировщик Xian H-6 – аналог российского Ту-16) было осуществлено в декабре 2005 года.

В ходе испытаний КК, оснащённый РД, в автономном полёте поднялся на высоту 32 км, достиг скорости 3,2 М и совершил успешную посадку. В настоящее время работы по данному проекту находятся на этапе лётных испытаний. Так, в сентябре 2020 года с РП «Цзюцюань» был проведён запуск РН «Чанчжэн-2F» с КК Chongfu Shiyong Shiyan Hangtian Qi (версия Shenlong). После двухдневного полёта КК успешно приземлился на заданной площадке.

Стоит также упомянуть, что 16 июля 2021 года в Китае были проведены успешные испытания многоразового суборбитального корабля. Запуск корабля состоялся с космодрома «Цзюцюань» в провинции Ганьсу на северо-западе Китая, после чего он совершил успешную горизонтальную посадку на аэродроме «Алашань-Юци» в автономном районе Внутренняя Монголия на севере страны. Название корабля, продолжительность полёта и другие подробности не известны. Таким образом, можно сказать, что в Китае очевиден интерес к космическим самолётам.

Основные характеристики вышеперечисленных многоразовых КК, обеспечивающих национальную безопасность и обороноспособность в околоземном пространстве, представлены в таблице 4.

Таблица 4. Основные характеристики КК, обеспечивающих национальную безопасность в околоземном пространстве