О ПЕРСПЕКТИВАХ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА РАЗГОНА КОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАТАПУЛЬТНО ОТБРАСЫВАЕМОГО МНОГОРАЗОВОГО РАЗГОННОГО БЛОКА. ON THE PROSPECTS FOR THE IMPLEMENTATION OF THE SPACECRAFT ACCELERATION METHOD USING CATAPULT EJECTED REUSABLE ACCELERATION UNIT

О ПЕРСПЕКТИВАХ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА РАЗГОНА КОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАТАПУЛЬТНО ОТБРАСЫВАЕМОГО МНОГОРАЗОВОГО РАЗГОННОГО БЛОКА. ON THE PROSPECTS FOR THE IMPLEMENTATION OF THE SPACECRAFT ACCELERATION METHOD USING CATAPULT EJECTED REUSABLE ACCELERATION UNIT

© С.Н.Худяков
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2019 г.

Аннотация: Показаны преимущества способа разгона КЛА с использованием катапультно отбрасываемого многоразового разгонного блока (МРБ) по сравнению с разгоном при помощи ракетного разгонного блока (РБ). Обоснована целесообразность использования МРБ в виде орбитальной разгонной станции (ОРС). Показано, что массовые затраты ОРС на разгон модуля полезной нагрузки марсианского экспедиционного комплекса примерно в 2,7 раза меньше аналогичных затрат одноступенчатого ракетного РБ.

Ключевые слова: многоразовый разгонный блок, орбитальная разгонная станция.

Abstract: The advantages of the method of accelerating a spacecraft using catapult ejected Reusable Acceleration Unit (RAU) compared to acceleration using a rocket Acceleration Unit (AU) are shown. It is substantiated of advisability of using a RAU in the form of an Orbital Accelerating Station (OAS). It is shown that mass expenses of the OAS for acceleration the payload module of the Martian expedition complex is by roughly 2.7 times less the analogous expenses of an one-stage rocket AU.

Keywords: reusable acceleration unit, orbital accelerating station.

Недостатком любого ракетного космического летательного аппарата (КЛА), состоящего из модуля полезной нагрузки (МПН) и ракетного разгонного блока, является затрачивание запаса энергии и рабочего тела РБ на разгон не только МПН, но и всего КЛА.

Если осуществлять разгон МПН за счёт катапультного отбрасывания от него РБ, используя при этом имеющийся запас энергии РБ, то конечная скорость такого МПН будет больше конечной скорости такого же МПН, разгоняемого с помощью ракетного РБ с энергомассовыми характеристиками катапультируемого РБ. Это объясняется более высокой энергоэффективностью данного способа разгона МПН, а именно, более высоким внешним КПД КЛА.

Ещё более значимое преимущество этого способа разгона МПН КЛА заключается в существенно меньшем потребном импульсе, сообщаемом МПН, по сравнению с потребным импульсом, сообщаемым за всё время разгона разгоняемой массе в виде связки МПН и обычного ракетного РБ. Это преимущество может быть реализовано за счёт многократного использования одного и того же РБ, обнуляющего свою скорость с помощью собственной ракетной двигательной установки после каждого разгона нового МПН. В отличие от обычного РБ такой многоразовый РБ (МРБ) не улетает вместе с полезной нагрузкой, а остаётся вблизи точки старта и может использоваться многократно. После обнуления скорости МРБ осуществляется восполнение запасов энергии и рабочего тела МРБ.

Импульс для торможения МРБ равен импульсу, полученному МПН при разгоне, но последний в разы меньше импульса, сообщаемого за всё время разгона разгоняемой массе в виде связки МПН и обычного ракетного РБ. Это означает, что для разгона МПН КЛА за счёт катапультного отбрасывания МРБ и последующего торможения МРБ в целях его повторного использования, требуется в разы меньше рабочего тела МРБ по сравнению с разгоном МПН при помощи обычного ракетного РБ. При этом выигрыш в массе рабочего тела МРБ не зависит от массы катапультируемого МРБ.

Катапультное отбрасывание МРБ целесообразно реализовывать с помощью тросового разгонного устройства МРБ, связывающего МПН и МРБ тросом и обеспечивающего при их разгоне ускоренное встречное движение МПН и МРБ.

Обосновано использование маховика в качестве привода тросового разгонного устройства МРБ. Характеристики материала троса и маховика приняты равными физико-механическим характеристикам гипотетического материала троса космического лифта с разрывной длиной (удельной прочностью) 10000 км. Быстрые темпы развития нанотехнологий дают основание надеяться на получение такого материала в текущем столетии. Использование материала троса и маховика с такими характеристиками обеспечивает разгон МПН КЛА до скорости более 6 км/с.

При высокой кратности использования МРБ его массовые затраты на разгон одного МПН практически не зависят от массы МРБ и примерно соответствуют массе рабочего тела МРБ, необходимого для обнуления скорости, полученной МРБ при разгоне МПН.

Обоснована целесообразность использования МРБ в виде пилотируемой многофункциональной орбитальной разгонной станции (ОРС). Представлены результаты численного моделирования процесса разгона МПН марсианского экспедиционного комплекса (МЭК) массой 5000 кг, 15000 кг, 25000 кг с помощью ОРС с маховиками различной массы. Приведена зависимость массовых затрат ОРС с маховиком массой 12000 кг на разгон МПН МЭК массой 25000 кг от кратности использования ОРС. Показано, что при кратности более 2 массовые затраты ОРС на разгон МПН МЭК становятся меньше аналогичных массовых затрат обычного одноступенчатого ракетного РБ. При кратности более 30 массовые затраты ОРС на разгон МПН МЭК примерно в 2,7 раза меньше аналогичных затрат обычного одноступенчатого ракетного РБ.

Для полёта к Марсу при старте с околоземной орбиты требуется сообщить КЛА скорость порядка 3,7 км/с. Для достижения такой скорости требуется материал троса и маховика с разрывной длиной порядка 2000 км, который может быть получен значительно раньше материала троса космического лифта. В настоящее время созданы материалы с разрывной длиной 500 км (арамидные нити АО НПП «Термотекс», Российская Федерация).