КОСМИЧЕСКАЯ ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА К. Э. ЦИОЛКОВСКОГО – ВЗГЛЯД СПУСТЯ СТОЛЕТИЕ
© В.В.Балашов, Т.Н.Желнина
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2005 г.
1. В 1903 г. произошли два знаменательных события – первый полет самолета конструкции братьев Райт, положивший начало эре авиации, и выход в свет работы К.Э. Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами», положившей начало эре освоения космического пространства. Прошло сто лет, и мы видим, что облик современных самолетов практически ничем не напоминает самолет братьев Райт – все это осталось далеко позади. В то же время, хотя и облик современных космических ракет мало чем напоминает «звездолет» и «космические ракетные поезда» Циолковского, у них, возможно, все еще впереди.
2. Представления Циолковского об облике космической транспортной системы (КТС) с течением времени претерпевали значительные изменения. В самом начале своего творческого пути – в период
1879-1895 гг. – он еще не думал о космических ракетах и вполне допускал возможность использования «космической пушки». Однако затем идея пороховой космической пушки была отвергнута. Лишь в работах 1926 г., а затем 1932 и 1933 гг. Циолковский возвращается к мысли об использовании газовых или электромагнитных космических пушек для предварительного разгона ракет.
3. В работах, выполненных в 1896-1917 гг., в качестве КТС Циолковский предлагает летательный аппарат с ракетным двигателем на жидком топливе, оснащенный системами жизнеобеспечения и управления. В период до 1910 г. он рассматривает одноступенчатую бескрылую ракету, начинающую свой полет либо непосредственно с земли без предварительного разгона, либо с некоторой высоты, на которую она доставлялась дирижаблем. В работах начала 1920-х гг. ученый разрабатывает идею сообщения одноступенчатой ракете начальной скорости в процессе ее разгона по наземному наклонно восходящему пути.
4. В 1921 г. Циолковский приходит к идее использования в составе КТС самолета с воздушно-реактивным двигателем (ВРД). Он показал, что самолет с ракетным двигателем недостаточно эффективен, в частности, потому, что не используется атмосферный кислород, и приходит к выводу, что необходимо либо оснастить самолет с ракетным двигателем дополнительной разгонной ступенью, либо создать мощные и легкие ВРД.
5. Вопреки широко распространенному мнению Циолковский далеко не сразу воспринимает идею многоступенчатой ракеты Годдарда и Оберта. Впоследствии эта идея получила в работах Циолковского оригинальное развитие. Первый вариант – двухступенчатая система, включающая в свой состав «земную подготовительную ракету» и разгоняемую ей расположенную впереди космическую ракету. В работе 1929 г. в качестве второй ступени Циолковский рассматривал многофюзеляжный самолет и крылатый летательный аппарат. Подобные системы следует определить как ракетно-авиационные.
6. В работе 1929 г. Циолковский рассмотрел варианты «космического ракетного поезда», в которых расположенная сзади космическая ракета буксируется и разгоняется на земле «составом» из нескольких последовательно сцепленных ракет. Общим для двухступенчатой и многоступенчатой систем является наземный разгон по «наклонно восходящему пути». Одно из различий – принцип передачи тягового усилия: толкающий для двухступенчатой и тянущий для многоступенчатой системы.
7. В 1933 г. Циолковский предлагает совершенно иной вариант двухступенчатой КТС. В качестве первой ступени используется самолет-буксировщик – «аэроплан полуреактивный значительной величины». Термин «полуреактивный» (в отличие от чисто «реактивного») означает, что реактивный летательный аппарат использует аэродинамическую подъемную силу. Вторая ступень – «чисто реактивный прибор» (звездолет). Такую систему следует отнести к авиационно-космическим.
8. С конца 1934 г. все надежды на скорейшее достижение космических скоростей Циолковский возлагает на «эскадру ракетопланов». Ракетоплан у Циолковского – реактивный крылатый пилотируемый летательный аппарат. Идея «эскадры» состояла «в переливании элементов взрыва для поддержания в силах одного последнего» – космического ракетоплана. «Эскадра» Циолковского является еще одной оригинальной интерпретацией идеи ступенчатых ракет.
9. В 1935 г. Циолковский допускал два независимых направления развития ракетной техники, одно из которых было ориентировано на ракеты, другое – на ракетопланы, причем ученый считал, что сначала космические полеты совершат ракетопланы, а затем уже – ракеты с ЖРД. Циолковский полагал, что потребность в освоении стратосферы неминуемо вызовет появление крылатых аппаратов сначала с воздушно-реактивными, а потом и ракетными двигателями.
10. Многие идеи и технические предложения Циолковского уже воплощены в современных космических летательных аппаратах. Ряд идей пока еще не востребован, и не исключено, что именно с ними связаны (возможно, весьма отдаленные) перспективы развития КТС. К настоящему времени конструкция ракет-носителей (РН), составляющих основу КТС, доведена до высокой степени совершенства, и возможности улучшения характеристик РН за счет использования «традиционных» технологий весьма ограничены. Возможности же применения «революционных» технологий, к числу которых следует отнести и ряд невостребованных идей Циолковского, определяются достигнутым уровнем развития науки и техники.
11. Некоторые примеры «революционных» технологий, связанных с работами Циолковского:
- наземный разгон и наклонный взлет в настоящее время осуществляют самолеты морской авиации, базирующиеся на авианосцах, оборудованных авиационными трамплинами,
- принцип буксировки космической ступени самолетом используется в проектах авиационно-космических систем, разрабатываемых фирмой Kelly Space Technology,
- идея перелива топлива используется в разработанном в рамках Российской Академии космонавтики им. К.Э. Циолковского проекте воздушно-космического самолета с применением воздушной дозаправки жидким кислородом,
- гиперзвуковые прямоточные ВРД разрабатываются, но их практическое применение во многом определяется решением проблемы устойчивого сверхзвукового горения.
12. Можно предположить, что перспективы развития КТС – в объединении и наиболее рациональном сочетании «революционных» технологий, предложенных Циолковским. Возможна перекачка топлива от «буксировщика-танкера» к орбитальному аппарату, который может начать полет без запаса топлива. В этом случае орбитальный аппарат будет иметь существенно меньшую площадь несущих поверхностей, которая должна быть достаточной для продолжения полета после заправки и отцепки от буксировщика. Подобная система может осуществлять наземный разгон по криволинейной опорной поверхности с последующим наклонным взлетом, что может дать дополнительное уменьшение массы конструкции и, соответственно, увеличение массы полезной нагрузки, доставляемой на орбиту.