Туда, где небо становится фиолетово-чёрным. Часть 1

Итак, 31 октября 2014 года аппарат SpaceShip Two с собственным именем Enterprise разрушился в воздухе, командир воздушного судна Питер Сиболд (Peter Siebold) получил тяжёлые травмы, а второй пилот Майкл Олсбери (Michael Alsbury) погиб. Символично, что катастрофа произошла ровно через десять лет после триумфа команды разработчиков ракетоплана…

Рутан и X-Prize

Пророческие слова С. П. Королёва о «полётах в космос по профсоюзным путёвкам» начали сбываться тридцать лет назад. Правда, казалось, что «обычные люди» увидят голубой шар Земли, только когда наберёт обороты программа Space Shuttle и корабли многократного применения, «на два порядка понизив стоимость космических миссий», станут летать по нескольку раз в месяц. Солнце, возвещающее утро новой эры, выглянуло из-за горизонта 28 января 1986 года и... через 73 секунды ушло за тучу. Точнее, утонуло в облаке взрыва. Вместе с шестью астронавтами «Челленджера» погибла Шэрон Криста Маколифф (Sharon Christa McAuliffe) – первая непрофессиональная участница космического полёта, призёр всеамериканского конкурса «Учитель в космосе». Она прошла трёхмесячные ускоренные курсы подготовки и должна была вести урок с орбиты. За страшной катастрофой в прямом эфире наблюдал практически весь мир...

Первой космической туристкой (непрофессиональным участником космического полёта) должна была стать Криста Маколифф

Говорят, что именно после этого случая американский Сенат принял закон, запрещающий непрофессионалам полёты в космос.

Примерно в то же время в Советском Союзе на волне программы «Интеркосмос», «перестройки, гласности и нового мЫшления» стали просматриваться возможности выполнения коммерческих (то есть за реальные деньги, а не по виртуально-неосязаемому «обмену») космических полётов иностранных граждан в развлекательных или научно-исследовательских целях.

В декабре 1990-го и в мае 1991-го в составе экипажей кораблей «Союз» в космос слетали японский журналист Тоёхиро Акияма (秋山 豊寛) и британский химик-кондитер Хелен Шарман (Helen Patricia Sharman). Их экспедиции на станцию «Мир» проводились в рамках частнофинансируемых негосударственных проектов (впрочем, до сих пор остаются некоторые сомнения в коммерческой стороне дела, особенно в последнем случае).

Тоёхиро Акияма и Хелен Шарман посещали станцию «Мир» в рамках частнофинансируемых негосударственных проектов

Но самым настоящим космическим туристом, заплатившим за недельный тур на орбиту из собственного кармана, стал американский мультимиллионер, менеджер инвестиционной фирмы Wilshire Associates Деннис Тито (Dennis Anthony Tito): он выложил $20 млн и весной 2001 года слетал на Международную космическую станцию (МКС) ради собственного удовольствия.

После него в космосе побывали ещё шестеро туристов, причём один – Чарльз Симони (Charles Simonyi) – дважды. Во всех случаях «чартером до орбиты и обратно» служил «Союз», а отелем с замечательным видом на голубую Землю, бархатно-чёрный космос и серебряные точки звёзд – МКС.

Первым настоящим космическим туристом стал Деннис Тито

Увы, стоимость «путёвки» быстро и непрерывно росла, вскоре перешагнув отметку в $35 млн, транспортный корабль оказался очень тесным, а космическая лаборатория – не слишком комфортабельной (не говоря о том, что высокопоставленные представители американского, европейского и японского космических агентств, эксплуатирующие МКС на паритетных с Роскосмосом началах, косо смотрели на «нежданных посетителей»). Понятно, что при таких условиях ни о каком массовом космическом туризме речи не шло.

Между тем число желающих увидеть планету со стороны не уменьшалось – разнообразные любители острых ощущений и поклонники экстремальных видов спорта, звёзды шоу-бизнеса, жаждущие воистину небесной славы, так же как и учёные, которых интересуют эксперименты в области микрогравитации, были не прочь пощекотать нервы перегрузками, почувствовать невесомость и насладиться фантастическим видом за иллюминатором.

Иными словами, потребность в космических полётах за собственные (или привлечённые) средства была, но при мизерном платёжеспособном спросе и весьма ограниченных возможностях по «перелёту, трансферу и проживанию». Понятно, что на этой основе невозможно строить и развивать масштабный высокодоходный бизнес. Для резкого расширения клиентской базы надо было всё менять.

Космический туризм можно строить при наличии платёжеспособного спроса и достаточных «транспортно-инфраструктурных» возможностей

Поскольку к началу 2000-х никаких иных способов добраться до орбиты, кроме полётов на одноразовом «Союзе» и многоразовом шаттле, не было (а последний совершенно точно собирался в ближайшем будущем сойти со сцены), «умные люди» решили… сделать космос доступнее и ближе, причём в прямом смысле этого слова.

Они рассуждали логично: так ли важно побывать на орбите, чтобы считаться астронавтом (ну хорошо, пусть не астронавтом, а «участником космического полёта»)? Может, достаточно лишь приоткрыть дверцу и чуть-чуть высунуть нос в этот самый космос? Ведь что такое, в сущности, «космический полёт»? Кто и где отметил его начало и конец? Перефразируя русскую «Википедию», можно сказать, что «космический полёт – это путешествие или транспортировка в или через космос. Чёткая граница между Землёй и космосом отсутствует, и Международная авиационная федерация FAI (Fédération Aéronautique Internationale) приняла за неё высоту в 100 км от поверхности Земли. Чтобы на такой высоте аппарат летел и не падал, он должен набрать первую космическую скорость...»

Конечно, такое определение хромает. Вообразим себе идеальный случай – ракету с бесконечным запасом топлива. Её двигатель способен бороться с земным тяготением так, чтобы аппарат имел постоянную скорость (например, 100 км/ч). Поднимаясь с земной поверхности вертикально, ракета сможет достичь окрестностей Луны (правда, такое путешествие продлится более 160 суток) и улететь дальше, в глубины пространства. Но будет ли такой полёт космическим? С точки зрения предлагаемого определения – скорее всего, нет: первая космическая скорость не достигнута... но граница космоса явно преодолена!

Чтобы не дразнить гусей (и особо щепетильных буквоедов), было определено, что подъём за границу космоса считается суборбитальным полётом, а обращение вокруг Земли с первой космической скоростью и выше – орбитальным.

Если ракета поднимается в космос, но не выходит на орбиту, то её траектория называется суборбитальной, крутой или пологой (как на схеме)

Здесь уместно пояснить смысл «магического числа» 100 км. Как и в случае с космическим полётом, определить границу космоса сложно. Где объективный критерий? По мнению одних, «мировое пространство» начинается уже с поверхности земного шара, другие говорят, что за Луной. Ближе всех те, что считает порогом космоса верхний предел атмосферы (хотя и это – условность: молекулы и ионы газов, образующих воздух, можно найти в тысячах километров над головой). Астрономы из США и Канады измерили границу влияния атмосферных ветров и начала воздействия космических частиц – она оказалась на высоте 118 км. NASA считает границей космоса 122 км: на этой высоте шаттлы переключались с реактивной системы управления на аэродинамические органы. Как уже указывалось выше, FAI приняло за порог 100 км. Линия получила название по имени Теодора фон Кармана (Theodore von Kármán) – этот американский учёный первым определил, где атмосфера становится настолько разрежённой, что аэродинамический полёт невозможен (точнее говоря, скорость аппарата, необходимая для создания достаточной подъёмной силы, превышает первую космическую) и для достижения больших высот авиационных средств недостаточно.

Итак, чтобы пробить границу космоса, нет нужды развивать первую космическую скорость (7900 м/с на поверхности Земли, выше – меньше) – достаточно разогнаться по вертикали примерно до 1000 м/с. Это сильно упрощает техническую сторону решения проблемы, чудесным образом сказываясь на цене вопроса! Суборбитальный аппарат по сравнению с орбитальным требует гораздо меньших энергетических затрат. Смущает приставка «суб» – от неё за версту несёт вторичностью, побочностью, недосказанностью и подчинённостью (субподрядчик, субаренда, субпродукты, субконтинент, субклеточный, субъядерный). Можно утешиться – «суб» говорит также о нахождения поблизости от чего-то (субстратосфера, субальпийский, субарктический и даже субсветовой).

Достичь границы космоса можно и на скорости около 1000 м/c

Преодолев высоту 100 км и идиосинкразию к слову «суборбитальный», путешественник испытает всё, о чем мечтал: тут тебе и перегрузки при разгоне (не тяжёлые, так, чуть больше, чем в самолёте), и невесомость после выключения двигателя (правда, кратковременная, но это опять-таки неплохо – не успеет надоесть и привести к отрицательным побочным эффектам), и Земля как огромная перевёрнутая чаша перед глазами.

Прикинув все за и против, идеологи этого подвида космического туризма (его иногда называют «суборбитальным» или даже «субтуризмом» – но последнее скорее жаргон), принялись повышать его привлекательность в глазах платёжеспособной публики, расписывая достоинства вылазок на границу пространства, выполняемых за «смешные деньги».

В суборбитальном полёте путешественник испытает перегрузки, невесомость и увидит выпуклую Землю через иллюминатор

Одной из подобных акций стал конкурс, объявленный 18 мая 1996 года основателем инициативной финансовой группы «Фонд Икс-приз» (X Prize Foundation) Питером Диамандисом (Peter Diamandis) для поощрения частной инициативы в области суборбитального туризма. Приз в размере $10 млн был обещан той организации, которая сможет до 31 декабря 2004 года без финансового участия правительственных структур создать аппарат, способный в течение двух недель дважды подняться на высоту более 100 км, имея на борту одного пилота и двух пассажиров (или эквивалентный этому вес).

Питер Диамандис

5 мая 2004 года, в 43-ю годовщину суборбитального полёта первого американского астронавта Алана Шепарда, владельцы инвестиционной компании Prodea Systems – Ануше Ансари (в будущем – четвёртая космическая туристка: осенью 2006 года совершила полёт на МКС), её муж Хамид и его брат Амир – пожертвовали более $1 млн в фонд X-Prize, стали его основными спонсорами – и конкурс стал называться Ansari X-Prize в честь их семейства.

Идея понравилась разнообразным самодельщикам, и к декабрю 2003 года в конкурсе участвовали 27 компаний из семи стран мира (большинство – американские, но были также представители из Канады, Израиля, Аргентины, России, Великобритании и других стран). Обманчивая лёгкость требований привела к тому, что уровень значительной части проектов оказался либо примитивным, либо явно нереализуемым. К первым можно отнести твердотопливную ракету британской фирмы Starchaser Industries – по сути, развитие ракетомодельных концепций. Ко вторым – румынский проект Orizont: многоразовый воздушно-космический самолёт, да ещё и с изменяемой геометрией крыла, был не по силам любительской команде ARCA.

Один из претендентов на X-Prize – ракета фирмы Starchaser Industries

В январе 1997 года к конкурсу присоединился участник, который по уровню мастерства обошёл остальных. Проект «Первый уровень» (Tier One), заложенный за семь месяцев до этого, представила калифорнийская компания Scaled Composites LLC, поддержанная деньгами миллиардера Пола Аллена (Paul Allen), одного из основателей Microsoft. Она опиралась на нетрадиционные решения и собиралась воспользоваться преимуществами не только ракетных, но и авиационных систем.

Глава Scaled – авиаконструктор и предприниматель Бёрт Рутан (Elbert Leander «Burt» Rutan) – с начала 1970-х годов получил известность благодаря созданию самолётов оригинальных схем. Летательные аппараты, большинство из которых строились из композиционных материалов, пользовались популярностью в сфере малой и частной авиации и завоевали свыше двух десятков различных наград на престижных конкурсах. Среди них встречались рекордные: всемирно известный Voyager совершил в 1986 году первый перелёт вокруг земного шара без посадок и дозаправок, а Proteus установил в 2000 году три мировых рекорда высоты и грузоподъёмности.

Авиаконструктор Бёрт Рутан получил известность благодаря своим самолётам оригинальных схем

Профессионализм Рутана не вызывал сомнений. Не случайно наблюдатели подчёркивали: «Когда на сцене появилась Scaled Composites c проектом Tier One, большинству экспертов стало ясно, в чьих руках окажется X-Prize». Если остальные участники конкурса сооружали нечто странное «на коленке», то компания из Мохаве взялась за дело с размахом: понимая, что новый фронтир так просто не покорится, разработали систему, изготовили её части и начали последовательную программу лётных испытаний. Несмотря на поддержку Аллена, Рутан постоянно оглядывался на финансовую сторону вопроса (денег много не бывает), что наложило отпечаток на детали проекта.

В самом деле, авиаконструктор к тому времени четверть века не только поставлял любителям «китовые» наборы для сборки самодельных самолётов, но и разрабатывал авиакосмическую технику по заказу правительственных организаций. Например, принимал непосредственное участие в проектировании первой ракеты-носителя воздушного пуска Pegasus фирмы Orbital Sciences (первый пуск – 5 апреля 1990 года). Таким образом он получил доступ к новейшим технологиям и базам данных, включая результаты продувок на сверх- и гиперзвуковых скоростях. Схема старта ракеты с самолёта-носителя (сначала бомбардировщика B-52, а затем – доработанного авиалайнера L-1011) была повторена в проекте Tier One, включающем два компонента – самолёт-носитель WhiteKnight (постфактум стал называться WhiteKnightOne) и ракетоплан SpaceShipOne.

Проект Tier One включал два компонента – самолёт-носитель WhiteKnightOne и ракетоплан SpaceShipOne

Вся система напоминала воплощённый шедевр ретрофутуризма, сошедший с фантастической иллюстрации художника Чесли Боунстелла (Chesley Bonestell). Конструкция почти полностью изготавливалась из углерод-углеродного композита.

Дозвуковой самолёт-носитель имел оригинальный внешний вид и строился по двухбалочной схеме с неубирающимся шасси. Взлёт обеспечивали два турбореактивных двигателя, снятые со списанных учебно-тренировочных Т-5, а также крыло большого – почти 25 м – размаха. Ракетоплан подвешивался на пилоне под фюзеляжем, приподнятым за счёт обратного V-центроплана.

Сверхзвуковой SpaceShipOne представлял собой небольшой летательный аппарат с веретенообразным фюзеляжем и коротким широким крылом, оканчивающимся хвостовыми балками, на концах которых стояли горизонтальные и вертикальные стабилизаторы.

Сценарий взятия Ansari X-Prize выглядел следующим образом: WhiteKnightOne с подвешенным под ним ракетопланом стартовал горизонтально с взлётно-посадочной полосы (ВПП) как обычный самолёт и начинал набор высоты примерно 15 км, где производится сброс.

Схема полёта ракетоплана SpaceShipOne

Здесь пилот переводил SpaceShipOne в горизонтальное планирование, слегка задирал нос и включал силовую установку. Для разгона и набора высоты разработчики применили гибридный ракетный двигатель, имеющий цилиндрическую камеру сгорания с шашкой твёрдого горючего (полибутадиеновый каучук), соединённую со сферическим баком окислителя (жидкая закись азота – «веселящий газ», который медики применяют для стоматологического наркоза) через единственный управляющий клапан. Жидкий компонент подавался в камеру под давлением собственных паров.

Для простоты следовало бы установить на ракетоплане пороховик, но Рутан «рассудил трезво»: если при разгоне на сверхзвуковой скорости аппарат начнёт терять управление, следует быстро выключить двигатель, иначе – хана (как увидим далее, он был прав). Значит, нужен мотор, который можно не только включить, но и надёжно (лучше – мгновенно) выключить. Разработка жидкостного двигателя с удовлетворяющими остальным требованиям характеристиками казалась слишком сложным делом, готовые изделия на полках магазинов не лежали. Выбор пал на гибридник (при объяснении «на пальцах» его устройство смотрелось проще и понятнее, чем сложный механизм жидкостного двигателя), который заказали на стороне, у частной фирмы SpaceDev (Паувэй, штат Калифорния).

Схема размещения гибридной двигательной установки и органов управления ракетоплана SpaceShipOne

Итак, за время горения топлива в двигателе ракетоплан разгонялся до скорости, соответствующей числу М=3,5, и поднимался на высоту 50 км (интересно, что здесь из-за малой плотности воздуха индикаторная скорость не превышала 440 км/ч). После выключения мотора аппарат продолжал полёт по инерции и, пройдя апогей, начинал свободное падение, заканчивающееся планированием и горизонтальной посадкой.

Интересной особенностью проекта была идентичность кабин экипажа, бортового радиоэлектронного оборудования, электроагрегатов управления, пневматики, сервомеханизмов и ряда других систем самолёта-носителя и ракетоплана: с самого начала лётные испытания WhiteKnightOne служили и для проверки в полёте работоспособности SpaceShipOne (за исключением ракетного двигателя). Высокая тяговооружённость самолёта-носителя и огромные воздушные тормоза позволяли лётчикам реалистично имитировать манёвры ракетоплана на разгоне, при входе в атмосферу и посадке. Кроме того, WhiteKnightOne служил тренажёром, на котором готовились пилоты SpaceShipOne.

Передние части фюзеляжей с кабиной самолёта-носителя и ракетоплана были подобны

Разработка концепции, продолжавшаяся четыре года, включала расчёты с использованием методов вычислительной газодинамики, испытания теплозащиты и теплостойких окон на примитивных стендах, а также сбросы моделей. Рутан стремился уйти от сложной системы управления, которая необходима крылатым аппаратам типа Space Shuttle, чтобы пережить вход в атмосферу (по его мнению, цена ошибки пилота или автомата на этом напряжённом этапе полёта слишком велика и «в идеале лучше вообще не рулить»).

Поскольку и самолёт-носитель, и ракетоплан имели относительно несложное ручное управление, авиаконструктор искал конфигурацию, устойчивую к балансировке на больших углах атаки (вход в атмосферу со сверхзвуковой скоростью) и дающую высокую подъёмную силу при горизонтальном полёте на дозвуковых скоростях и планирующей посадке. Решением стало изменение геометрии SpaceShipOne при входе в атмосферу (манёвр, получивший поначалу название shuttlecock, а затем feather) – отклонение вверх хвостовых балок со стабилизаторами, расположенных на концах крыла; аэродинамические и тепловые нагрузки приходятся на нижнюю часть фюзеляжа и крыла, стоящих против потока, а устойчивость и управляемость обеспечивают хвостовые кили с рулями, стоящие по потоку.

Ракетоплан в момент интенсивного торможения – хвостовые балки отклонены

Итак, после выключения гибридного двигателя и разворота хвостовых балок в положение входа в атмосферу у экипажа и пассажиров SpaceShipOne было примерно 3,5 минуты для того, чтобы «насладиться невесомостью и видами Земли из космоса». Затем пилот ориентировал аппарат для спуска (хотя конфигурация позволяет обойтись «без посторонней помощи»). Пиковые перегрузки при запуске не превышали 3–4, при спуске – 5 единиц (4 – в течение примерно 20 секунд). После того как нагрузки снижались и скорость со сверхзвуковой переходила на дозвуковую, на высоте 24 км балки возвращались в нормальное положение, пилот снова брал управление на себя и сажал аппарат, как обычный планер, на ВПП при скорости около 200 км/ч.

В атмосфере управление обеспечивалось аэродинамическими рулями, а на больших высотах – реактивными соплами на сжатом газе.

Лётные испытания самолёта-носителя начались 1 августа 2002 года. В 24-м по счёту полёте, 20 мая 2003 года, под фюзеляжем WhiteKnightOne впервые был подвешен ракетоплан (ещё не вполне готовый). Уже в третьей такой миссии SpaceShipOne, управляемый шеф-пилотом Scaled Composites Майклом Мелвиллом (Michael Melville), был сброшен с высоты 14300 м и успешно спланировал на взлетно-посадочную полосу аэропорта Мохаве.

Самолёт-носитель WhiteKnight с подвешенным ракетопланом SpaceShipOne набирает высоту

Впервые ракетный двигатель был включён 17 декабря 2003 года, в восьмом «свободном» полёте ракетоплана, – лётчик-испытатель Брайан Бинни (Brian Binnie) нажал кнопку «зажигание» на высоте 13500 м при скорости, соответствующей М=0,55. За 15 секунд SpaceShipOne разогнался до скорости, соответствующей числу М=1,2 (стал первым пилотируемым частным аппаратом, преодолевшим звуковой барьер) и достиг в апогее высоты 20700 м.

Чтобы избежать проблем (как известно, бюрократия самой свободной страны мира чрезвычайно изощрена), компания Scaled Composites 1 апреля 2004 года получила от Федерального управления гражданской авиации FAA (Federal Aviation Administration) годичную лицензию на проведение суборбитальных полётов. Через неделю, 8 апреля, во время 13-го сброса пилот Питер Сиболд (Peter Siebold) второй раз запустил «гибридник» – двигатель проработал 40 секунд и обеспечил разгон ракетоплана до скорости, соответствующей М=1,6, и подъём до апогея в 32000 м.

13 мая SpaceShipOne под управлением Майкла Мелвилла при третьем включении двигателя преодолел высоту 64 км.

SpaceShipOne сброшен с самолёта-носителя и сейчас включит ракетный двигатель

21 июня при четвёртом включении двигателя ракетоплан, который вновь пилотировал Майкл Мелвилл, выполнил первый суборбитальный прыжок, достигнув высоты 100124 м! Планировалось прыгнуть выше, но помешали проблемы с вращением аппарата, возникшие по вине лётчика…

29 сентября Майк Мелвилл совершил первый зачётный полёт в рамках Ansari X-Prize на высоту 102,93 км. А 4 октября (в годовщину запуска первого спутника) конкурс был выигран вчистую: пилот Брайан Бинни поднялся на высоту более 112 км и благополучно опустился на Землю. В этом полёте SpaceShipOne побил рекорд высоты для пилотируемых самолётов (107,96 км), установленный 22 августа 1963 года Джозефом Уокером (Joseph A. Walker) на экспериментальном ракетоплане Х-15, принадлежащем NASA…

4 октября 2004 года Брайан Бинни выполнил второй зачётный полёт на SpaceShipOne

Продолжение следует...