Историко-исследовательский проект:

Какое будущее у аэрокосмического транспорта? Перспективы современного применения лёгкого космического самолёта В.Н. Челомея

Выполнил:

ученик 9 Б класса МАОУ ЛНИП

Соловьев Борис Юрьевич

Руководители:       

начальник отдела проектирования

пилотируемых транспортных систем  и комплексов (ОАО РКК «Энергия»)   Лобыкин А.А.,

пед. МАУ ДО Центр творчества «Гармония»

к.г.н. (МГОУ) Иванова Е.Ю.

Королев

2017 г.

Содержание

Введение. 3

1. Основные разработки В.Н. Челомея в области космической техники. 4

2. Легкий космический самолет. 6

3. Сравнение ЛКС с современными аналогами космических аппаратов. 10

4. Возможности современного применения ЛКС.. 13

Заключение. 18

Список источников. 19

Введение

В области создания космической техники проявили свой талант и характер многие великие конструкторы, среди них – Ф.А. Цандер,
С.П. Королёв, В.П. Глушко. В 2014 году исполнилось сто лет со дня рождения руководителя ряда важнейших проектов мирного космоса, дважды Героя Социалистического Труда, академика Владимира Николаевича Челомея. К сожалению, не все его оригинальные проекты были одобрены и применимы в нашем государстве, как, например лёгкий космический самолёт (ЛКС), созданный на основе космоплана.

Наука и техника не стоят на месте с каждым разом подтверждая необходимость замены космических кораблей одноразового использования более современными, легкими, маневренными кораблями многоразового использования с возможностью универсального применения.

Цель работы состоит в разработке предложений современного применения легкого космического самолета путем изучения перспектив использования модели легкого космического самолета.

Задачи:

1. Сбор, систематизация и анализ данных информационных источников по теме исследования;
2. Изучение разработок В.Н. Челомея в области космической техники;
3. Изучение модели легкого космического самолета академика В.Н. Челомея для определения возможностей его модернизации;
4. Сравнение ЛКС с современными аналогами космических аппаратов: "Space Shuttle", "Энергия-Буран" для выявления их принципиальных отличий;
5. Разработка вариантов современного применения легкого космического самолета при условии его модернизации.

1. Основные разработки В.Н. Челомея в области космической техники

Владимир Николаевич Челомей родился 30 июня 1914 года в маленьком городке Седельце, в семье учителя. Техникой он стал увлекаться в 12 лет и после окончания семилетки поступил в автомобильный техникум.
В 1932 году Володя стал студентом Киевского политехнического института – того самого, в котором восемь лет до этого учился Сергей Павлович Королев. Они хоть и учились в одном институте, но были очень разными. Королев хотел строить и летать, а Челомей – рассчитывать и анализировать. Королев был конструктором, а Челомей ученым [1].

Рис. 1. Владимир Николаевич Челомей [1].

Челомей был ярким и одаренным юношей. Только за один 1938 год было опубликовано 14 его статей, и вышла первая книга "Векторное исчисление". В 1942 году Челомей создал пульсирующий двигатель, а к концу 1944 года воспроизвел двигатель Фау-1, повторив изобретение мюнхенского инженера Пауля Шмидта, так же как через четыре года Королев воспроизвел Фау-2, повторив фон Брауна [1].

В 1955 году проектом крылатой ракеты с пульсирующим воздушно-реактивным двигателем для вооружения подводных лодок заинтересовалось руководство ВМФ. Владимир Николаевич получил в Реутове пустырь с маленьким механическим заводиком в одном кирпичном корпусе. На этом месте выросло современное конструкторское бюро. Создавались ракеты
УР-100, УР-200, УР-500, шла работа над "лунной ракетой" УР-700. УР-500 (также известная как «Протон») послала к Луне тяжелые лунники, которые доставили на Землю образцы лунного грунта, и два "Лунохода". Все наши орбитальные станции были запущены в космос с помощью этой ракеты [1].

В 1975 году Челомей приступил к разработке легкого космического самолета (ЛКС). Но в 1980 году проект по различным причинам закрыли. Владимир Николаевич Челомей умер 8-го декабря 1984 года. За выдающиеся заслуги академик Челомей удостоен Ленинской и Государственной премий, Золотой медали имени Н. Е. Жуковского и Золотой медали имени
А. М. Ляпунова, а также многих других наград и званий.

2. Легкий космический самолет

Тема освоения космоса в СССР всегда являлась сверхсекретной [2].
К счастью, сегодня завеса таинственности приподнимается... Например, подобная таинственность витала над разработкой перспективного космоплана – легкого космического самолета (рис. 2, 3).

Рис. 2.  УР-500К [2].                                        

Рис. 3. ЛКС [2].

В качестве носителя планировалось использовать ракету УР-500К ("Протон-К"). Его разработка началась в 1975 году, с использованием агрегатов и узлов ранее разработанной орбитальной пилотируемой станции "Алмаз". Бюро Челомея также предлагало проекты ЛКС, имеющие в своем составе, кроме многоразового самолета, одноразовый грузовой отсек для доставки тяжелого груза на орбиту. Возвращение части груза предполагалось осуществлять во внутреннем отсеке самолета [2].

Таблица 1.

Технические характеристики ЛКС [3].

Легкий космический самолет изначально разрабатывался как аппарат многоцелевого назначения, который позволял решать широкий круг задач в интересах народного хозяйства, науки и обороны. На нем также предполагалось отработать технику полета космического самолета. Легкий космический самолет предназначался для транспортировки полезных космических грузов, а также для доставки на орбиту элементов конструкции (например, солнечных батарей или научной аппаратуры) орбитальных поселений, наподобие советской орбитальной станции "Мир" и Международной космической станции, или для поражения крупных стратегических объектов и нейтрализации межконтинентальных баллистических ракет [3].

Особенностью легкого космического самолета стало использование теплозащитного покрытия, применявшегося на многоразовом возвращаемом +аппарате комплекса "Алмаз". Данная теплозащита обеспечивала 100 полётов в космос. Также от "Алмаза" должны были взять системы обеспечения жизнедеятельности экипажа, управления и другие системы.

К сожалению, этот проект не был одобрен Правительством СССР. Тогда В.Н. Челомей развернул новую программу. Проект был весьма смелым и ошеломляющим. Основное внимание в проекте уделялось военному применению легкого космического самолета.

Рис. 4. ЛКС [3].

В качестве основной задачи было обозначено выведение на околоземную орбиту лазерного оружия для предотвращения ядерного нападения. При этом на орбиту необходимо было вывести 360 орбитальных самолетов с лазерным оружием на борту. Предполагалось довести до 90 запусков "Протонов" в год. Чтобы обеспечить дежурство легких космических самолетов на орбите в течение продолжительного времени, запускаться должны были беспилотные аппараты [3].

В то же время, в случае снижения до безопасных пределов уровня военного противостояния, лазерное оружие возвращалось на Землю. В 1980 году на основании результатов эскизного проектирования изготовили полноразмерный макет легкого космического самолета (рис.4).

Продвинуть проект на политическом уровне В.Н. Челомею решительно не удавалось. Два раза он выходил с предложением по ЛКС в Военно-промышленную комиссию Совета Министров СССР, но получал отказ. После того как Владимир Николаевич обратился с письмом к Брежневу, была сформирована комиссия во главе с замминистра обороны СССР Виталием Шабановым. В состав комиссии вошли представители Министерства обороны, электронной промышленности, общего машиностроения и другие. Главным оппонентом на защите стал генеральный конструктор систем противоракетной обороны (ПРО). Создание флота легких космических самолетов с лазерным оружием обесценивало наземные средства ПРО. Дальнейшие работы были прекращены, а силы КБ были направлены на работы по космическому комплексу станции и корабля "Алмаз".

В интересах секретности изготовленный макет ЛКС был разобран, а техническая документация засекречена. Возможно, если бы работы по легкому космическому кораблю не прикрыли, сейчас в России имелся бы мобильный и сравнительно дешевый многоразовый транспортный корабль, который бы не постигла судьба "Бурана" [3].

3. Сравнение ЛКС с современными аналогами космических аппаратов

Внешне ЛКС В.Н. Челомея напоминал "Буран" в миниатюре. При этом их аэродинамические и эксплуатационные характеристики были весьма схожи. Полет ЛКС в пилотируемом варианте должен был длиться до 10 суток и в беспилотном – 1 год. Масса 19-метрового легкого космического самолета составляла 20 тонн при полезной нагрузке 4 тонны. Экипаж ЛКС состоял из двух человек.

В 1970 году Соединенные Штаты Америки вовсю строили свой Space Shuttle. Нашим главным ответом стала, как известно, разрабатываемая параллельно в НПО "Энергия" многоразовая транспортная космическая система "Энергия-Буран" (рис. 5).

Рис. 5. МТКС "Энергия-Буран" [6].

Приоритет отдавался решению задач транспортно-технического обслуживания и повышения эксплуатационной эффективности орбитальных станций типа "Мир", замены серии одноразовых кораблей типа "Союз" и "Прогресс" и применения средств выведения, как с вертикальным, так и с горизонтальным стартом [6].

 Несмотря на внешнюю схожесть, "Шаттл" и "Буран" - две принципиально разные схемы (Рис.6, 7).

Космическая система "Шаттл" представляет собой революционный подход к космонавтике. Впервые в истории, маршевые двигатели, системы управления и т.д. были смонтированы на самом орбитальном корабле, а не на ракете-носителе.

Общая цена одного запуска "Шаттла" - 450 миллионов долларов.

Главное отличие "Бурана" от "Шаттла" в том, что маршевые двигатели ракеты-носителя смонтированы не на орбитальном корабле. Орбитальный корабль «Буран» - это самолет, способный  к маневрированию на орбите и управляемому спуску с использованием двигателей.

На орбиту его "вытягивает" сверхтяжелая ракета-носитель "Энергия" и маршевые двигатели смонтированы на самой ракете. Ракета частично спасаемая,  планировалось, что при дальнейшей отработке «боковушки» будут спускаться на парашютах и повторно использоваться [6].

Вместе с ценой ракеты, это дает астрономические 1200 миллионов долларов за пуск! Вывод чего-либо "Бураном" был бы экономически неэффективен - одна "Энергия" справилась бы с этим гораздо лучше. Гонять же корабль стоимостью в миллиард рублей только ради мягкого спуска людей с орбиты - явно слишком дорого.

Рис. 6. ЛКС и "Буран"[6].                            

Рис. 7. "Шаттл" и "Буран"[7].    

Высота "Бурана", когда он стоит на шасси, – более 16 м. ЛКС по сравнению с ним просто лилипут – всего 6,7 м. Оба аппарата рассчитаны на 100 пусков. Экипаж "Бурана" – 10 человек – 2 пилота, а все остальные учёные, а у ЛКС всего 2. Грузовой отсек "Бурана" вмещает полезный груз массой до 30 т при взлёте, до 20 т при посадке. ЛКС – всего 4 тонны, очень мало по сравнению с "Бураном". Ну а по лётным характеристикам ЛКС и "Буран" примерно одинаковы.

Но чем, же ЛКС превосходит своих конкурентов в частности "Буран" и "Спейс шаттл"? Главным преимуществом ЛКС является дешевизна выведения лёгких грузов на орбиту, складывающаяся из следующих компонентов: использование "Протона", более дешёвого по сравнению с "Энергией", ниже себестоимость изготовления самолёта; ниже затраты на межполётное обслуживание (на что влияет более надёжная теплозащита ЛКС). Также стоит учитывать стоимость разработки самого ЛКС, она составляет всего 1% от стоимости разработки системы "Энергия-Буран" [7].

Оценивать программу создания ракетно-космического комплекса многократного применения "Энергия-Буран" можно по-разному. Одни считают, что комплекс появился слишком рано, а потому промышленность и экономика нашей страны оказались не готовы к поддержанию и дальнейшему развитию этой программы. Другие, наоборот, полагают, что комплекс опоздал — задачи, которые он был призван решать, утратили актуальность. Так или иначе, но он явно пришелся не ко времени и разделил судьбу множества других проектов, отложенных "под сукно" или в "долгий ящик".

Однако сама тема многоразовых аэрокосмических систем осталась на повестке дня. Конструкторская мысль не стоит на месте, и, возможно,
кому-то другому когда-нибудь удастся сделать то, чего не удалось сделать создателям "Бурана".

4. Возможности современного применения ЛКС

Стоит ли сегодня рассматривать возможность возрождения легкого космического самолета? Найдутся ли области для его применения? Я очень надеюсь, что в скором времени в России будет доказана необходимость полетов к естественному спутнику Земли - Луне и возобновятся работы по «лунной программе». Для доставки к Луне пассажиров и грузов можно использовать ЛКС, выводя его на окололунную орбиту.

Для доставки пилотируемых кораблей к дальним космическим объектам нужны мощные космические буксиры, для сборки которых на орбите необходим дешевый способ выведения деталей и конструкций. Тут и может понадобиться ЛКС в первоначальной разработке В.Н. Челомея. У него достаточно вместительный грузовой отсек, и он сможет выводить на орбиту крупногабаритные грузы, например солнечные батареи единым блоком. Обычные ракетоносители выводят их по частям. Можно собирать на орбите гигантские постройки, вроде новых орбитальных станций или межпланетного корабля для эвакуации жителей Земли (если случится такое, что на Земле будет оставаться небезопасно). Для этого я предлагаю создать постоянный грузовой флот из 35-50 кораблей.

Легкий космический самолет можно выводить в космос с использованием перспективных ракетоносителей семейства "Ангара", использовав для этого ее сверхтяжёлый вариант.

Также, к сожалению, нельзя исключать и вариант применения ЛКС в военных целях.

Современное применение легкого космического самолета невозможно без его модернизации. Я не буду затрагивать тему возможного изменения его внешнего вида из-за невозможности проведения сложных технических расчетов в домашних условиях. Попробую предложить те варианты модернизации, которые я смогу объяснить.

Рассмотрим различные варианты применения легкого космического самолета.

Рис. 8 [составлен автором].

Во-первых, он может применяться для различных научных исследований атмосферы Земли и космоса (рис.8). Экипаж – 2-4 человека. В авторском варианте Челомея в грузовом отсеке были предусмотрены раскрывающиеся створки для извлечения грузов. Для исследовательского варианта ЛКС я предлагаю грузовой отсек сделать полностью герметичным, вместо створок установить герметичную крышу и убрать приводы, которые их раскрывают. Это позволит космонавтам находиться в отсеке без скафандров, свободно перемещаться по кораблю и разместить больше научно-исследовательской аппаратуры. По бокам грузового отсека будут располагаться иллюминаторы или сплошное окно для наблюдения. Этот вариант может быть и для замены орбитальных станций в сфере исследований – у него есть некоторое превосходство над ними. Во-первых, на этом варианте ЛКС будет легче заменять научное оборудование – он просто спустится на Землю и поменяет его. Чтобы проделать ту же операцию на орбитальной станции нужно запустить корабль, выполнить стыковку, установить новое оборудование, убрать устаревшее оборудование и улететь. Эта операция будет в разы сложнее и дороже. Во-вторых, оборудование на ЛКС будет использоваться только по предназначению и в определённое время. Но на орбитальной станции оборудование будет лежать без использования (если исследование уже было проведено) и ждать того корабля, который его заменит. И это ещё одно преимущество. В-третьих, станцию вывести на орбиту – нелёгкая задача. Чтобы собрать все её модули нужно огромное количество денег и времени. А ЛКС – быстро взлетит, выполнит научную работу и вернется на Землю. Выходит, что ЛКС вполне мог бы заменить научные модули МКС. Ну и наконец, четвёртое. Такую станцию не надо будет снабжать запасами воды и пищи. Когда у экипажа кончатся запасы, то он вернётся на землю, в отличие от орбитальной станции, для снабжения которой нужно запустить грузовой корабль.

Рис. 9 [составлен автором].

Второй вариант модернизации ЛКС необходим для защиты Земли от астероидов и других опасных космических объектов, а также противоракетной обороны на основе ракет-перехватчиков (рис. 9). Экипаж – 2 человека. Грузовой отсек я предлагаю сделать раскрывающимся. В нём будут располагаться боевые ракеты. Их запуск будет осуществляться с помощью специального выдвижного устройства с направляющими. По бокам кабины пилотов будут установлены выдвижные боевые лазерные установки. В носовой части корабля необходимо установить бортовую радиолокационную станцию. Такой вариант ЛКС позволит легко сбивать спутники и межконтинентальные баллистические ракеты и уничтожать мелкие и средние астероиды, угрожающие Земле, на большой высоте. Так же на корабле будет спасательная капсула, которая сможет отделиться от ЛКС в случае опасности и безопасно вернуть на Землю экипаж.

Рис. 10 [составлен автором].

Третий вариант ЛКС – пассажирский (рис. 10). Экипаж – 2-6 человек. Предлагаю оборудовать его стыковочным узлом и 6-ю креслами – 2 перед узлом и 4 за узлом. В этом варианте будут две спасаемые капсулы. Они будут находиться  в отсеках с людьми. Этот вариант ЛКС возможно использовать для космического туризма. Пока возможность любоваться красотой нашей планеты из космоса есть только у космонавтов и астронавтов. Я думаю, мечтает о полете в космос каждый человек, но мало у кого есть 20 миллионов долларов, чтобы стать космическим туристом. На сегодняшний день туристов, побывавших на орбите, всего восемь. Использование ЛКС вместо одноразовых кораблей могло бы в немаленькой степени удешевить полет для туриста. Пассажирский вариант ЛКС мог бы быть использован и как спасательный. При возникновении нештатных ситуаций на орбитальной станции, ЛКС смог бы эвакуировать на Землю четырех космонавтов.

Для современного применения ЛКС необходимо модернизировать всё бортовое оборудование, независимо от варианта использования. Приборное оборудование должно быть полностью современным и компьютеризированным, циферблатные приборы и монохромные дисплеи подлежат замене на современные жидкокристаллические (ЖК) дисплеи и систему голосового управления полетом. Для управления самолетом необходима электро-дистанционная система управления (ЭДСУ). Чтобы снабжать ЛКС электроэнергией, необходимо установить солнечные батареи в крыльях. Но чтобы питать энергией лазерные пушки военного варианта ЛКС, нужно установить плутониевый блок питания и защиту  экипажа от радиации.

Конструкция корабля будет с большим применением композиционных материалов.

Также необходимо модернизировать системы жизнеобеспечения (СЖО) экипажа, а именно блок питания, туалет др.

Заключение

Исключительный дар научного предвидения В.Н. Челомея, его научные идеи и проекты продолжают служить и дальше отечественной науке и технике. Великий ученый отчетливо представлял масштабы своих разработок, и наша современная задача – помнить его успех и продолжать его дело, совершенствуя и развивая космическую технику.

Цель представленной работы состояла в разработке предложений современного применения легкого космического самолета путем изучения перспектив использования модели легкого космического самолета.

Модернизацию ЛКС я предлагаю провести для использования в следующих направлениях:

- при проведении научных исследований атмосферы Земли и космоса.

- для защиты Земли от астероидов и других опасных космических объектов, а также противоракетной обороны на основе ракет-перехватчиков.

- для транспортировки пассажиров при развитии космического туризма.

Я считаю, что ЛКС, главное предназначение которого быть универсальным, необходим в современном использовании. Кораблям одноразового использования нужна замена. Для космических сил России, в целях поддержания мира, нужен более совершенный способ уничтожения ракет и других угрожающих Земле космических объектов. В космосе много неизведанного. Дешёвый и лёгкий корабль необходим для многократных полётов с современной исследовательской аппаратурой. Надеюсь, что этот оригинальный проект не будет забыт и получит шанс на возрождение и наша страна получит высокомобильный, многоразовый транспортный корабль и его не постигнет судьба «Бурана».

Список источников

1. Голованов Я.К., Королев: Факты и мифы. – М., Наука, 1994
2. Макаров О., Малыш в тени «Бурана», Журнал «Популярная механика», № 7(93), 2010
3. Птецов В., Конструктор, ученый, руководитель, Журнал «Трибуна ВПК» НПО Машиностроения, № 26, 2010
4. Энциклопедия для детей. Космонавтика, - М., Астрель, 1994
5.       http://buran.ru/htm/mtkkmain.htm Энциклопедия крылатого космоса, Многоразовый орбитальный корабль «Буран»
6. http://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=29809.0 Форум NASA
7. http://novosti-osmonavtiki.ru/forum/forum9/topic8477/?PAGEN_1=8

Форум Журнала «Новости космонавтики»