Какие полеты изменят этот век? Широкое освоение гиперзвуковых и пассажирских сверхзвуковых средств расширит атмосферные пути человека. Но открыть новую эру, следующую за аэропланами реактивными, продолжая Циолковского, сможет суборбитальная баллистика.
Финальный участок полета боеголовок LGM-118A «Peacekeeper», атолл Кваджалейн (это фото есть в Википедии)
Фото: David James Paquin/wikimedia.org
Финальный участок полета боеголовок LGM-118A «Peacekeeper», атолл Кваджалейн (это фото есть в Википедии)
Фото: David James Paquin/wikimedia.org
Небесная колея
Так были обретены три закона Кеплера. Согласно им тело, не покидающее гравитационное поле планеты, катится по колее в форме эллипса — эллиптической орбите вокруг центра обращения, с макушкой апогея и низиной перигея. Чтобы обращаться по орбите, нельзя залезать в атмосферу, сопротивлением воздуха сбрасывающую с орбиты на поверхность. Торможение становится критическим на высоте около 120 км, на которой начинается необратимый и быстрый сход с орбиты. Поэтому перигей стабильных орбит не опускается ниже 150 км. Типичная высота низкой опорной орбиты в Америке 185 км — это просто круглые 100 миль. В России предпочитают круглые 200 км.
А если перигей лежит под поверхностью? Эллипс такой орбиты частично погружен в планету, частично торчит из нее. По наружной, надпланетной части эллипса полет проходит точно по законам Кеплера, никак не отличаясь от обычного орбитального оборота из-за наличия другой, подземной части эллипса с подземным перигеем. На нисходящем участке орбиты тело попытается пересечь земную поверхность и встретит ее, закончив движение. Подземная часть эллипса математически верная, но физически мнимая, как полет в плотных мантийных породах.
На такой орбите полный оборот невозможен. Только полет по наружной части эллипса, от точки старта до точки падения. Зато полностью и точно подчиняющийся орбитальным законам. Поэтому полет по реальной части орбиты назвали суборбитальным, а саму эту часть суборбитальной траекторией.
Каковы высоты суборбитальных траекторий? Верхняя граница высоты апогея ничем не ограничена: раз упало оттуда на поверхность — полет суборбитальный. Нижнюю границу суборбитальности можно провести по границе атмосферы. Целиком помещающаяся в атмосфере баллистика настолько разнится от орбитальной, что тут не поможет даже приставка «суб». Говоря об орбитальности и суборбитальности, будем подразумевать посещение космического пространства, начинающегося (так назначили) на высоте 100 км, и не считать суборбитальным полет мины из ротного миномета. Отметим вертикальный частный случай суборбитальных полетов — движение чисто вверх, оттуда вниз.
Первая суборбитальная траектория пройдена вертикальным пуском ракеты «Фау-2» Вернера фон Брауна в ракетном центре Пенемюнде в Германии в 1944 году, высота полета достигла 188 км. С ростом дальности баллистических ракет их траектория растет все выше, а параметры движения близятся к орбитальным. Боеголовки межконтинентальных ракет при пуске на максимальную дальность поднимаются на 1,2 тыс. км, втрое выше орбиты МКС. Они на короткое время располагаются среди низкоорбитальных спутников, плавно меняя высоту и лишь слегка отставая от них. И поэтому, постепенно снижаясь и уходя вниз, после космической части пути погружаются в атмосферу.
Атмосферная дробилка
Вход в атмосферу — особая часть суборбитального пути. Возникают и действуют быстро растущие воздушные силы. Большие скорости входа делают финальный участок полета самым напряженным. Атмосфера начинается очень разреженным гиперзвуковым потоком с высокими, в первые десятки, значениями числа Маха. Огромная температура потока на поверхности боеголовки во много тысяч градусов сначала почти не греет из-за большой разреженности воздуха. Температура высока, да плотность невелика — мало еще вещества и его тепла в кубическом сантиметре прилегающего воздуха, и тепловой поток в стенку боеголовки незначительный. Он усиливается со снижением. Плотность воздуха растет, увеличивая тепловые и силовые нагрузки. Аэродинамические, вернее, газодинамические силы (газодинамика — это процессы с большой сжимаемостью газа) начинают обжимать конструкцию. Возникает и растет перегрузка торможения. Невесомость чистого баллистического падения сменяется силовой атмосферной баллистикой.
Перегрузка. Состояние длительного ускорения называется перегрузкой. Сопротивление воздуха создает силу и ускорение торможения. Возникает перегрузка. Она действует на все без исключения на борту. Величину перегрузки оценивают сравнением с ускорением свободного падения на поверхности Земли, названным g. Перегрузка 3g будет трехкратной, 5g — пятикратной. Вес при перегрузке растет в ее кратности, в три и пять раз. Бортовые перегрузки при входе в атмосферу могут быть разными, их уровень определяется скоростью, углом входа и баллистическим коэффициентом тела. Этот «сплав» массы и формы, плотности и обтекаемости определяет поведение тела на атмосферной части траектории.
Объемный аппарат с большой парусностью и низкой плотностью, типа пилотируемых, будет испытывать большую силу сопротивления воздуха, собираемую своей широкой поверхностью. Если нужно снизить перегрузку, аппарат погружают в атмосферу очень постепенно, очень полого, долгое время оставляя его в действии слабых газодинамических сил верхних слоев начинающейся атмосферы. Можно затянуть снижение аппарата, подцепив его подъемной силой газодинамической природы, создаваемой обтеканием корпуса. Неравномерное обтекание гиперзвуковым потоком задают так, чтобы зоны сжатия были больше снизу аппарата. Их давление сложится в подъемную силу, замедляющую спуск и растягивающую торможение по неплотным слоям, снижая перегрузку.
В других раскладах, напротив, важно уменьшить время прохождения атмосферы, и тогда уровень перегрузок становится другим. Боеголовки межконтинентальных баллистических ракет являются оружием, его задача поразить быстрее. Их плотные обтекаемые «морковки» сохраняют высокую скорость до нижних слоев атмосферы. Стремясь к цели по кратчайшему пути как можно быстрее, они встречают колоссальные перегрузки во многие десятки g. Их создают под эти перегрузки, а работа заряда и его блока автоматики рассчитана для работы в таких условиях. Зато боеголовки быстрее всего прокалывают атмосферу до глубоких слоев в окрестностях цели, надежно донося к ней работоспособный заряд.
Тепловые нагрузки. С погружением в атмосферу тепловой поток в аппарат увеличивается из-за роста плотности воздуха и многократного сжатия пристеночного слоя, сильно повышающего температуру. Чем больше нагретого вещества прижато к стенке, тем больше тепла поступит в обшивку. Помимо нагрева теплопроводностью раскаленный газ также излучает тепло в поверхность аппарата. Картина может обогащаться газодинамическими деталями.
Например, у боеголовок с затуплением носовой части возникает так называемая отсоединенная головная ударная волна. Это область прямого скачка уплотнения, производящего колоссальное сжатие и трансформацию кинетической энергии в тепло. Линзовидная зона ударного газодинамического уплотнения отходит от носа боеголовки, «отсоединяется» и держится впереди корпуса. Из-за большой степени сжатия головная ударная волна нагрета так, что светит подобно маленькому Солнцу, добавляя свой поток лучистого тепла в конструкцию.
Ярким букетом цветут тепловые проявления гиперзвуковых особенностей обтекания. Ударная волна обтягивает поверхность, образуя на ней вязкий ударный пограничный слой. Расширенный от сильного нагрева, он становится ареной сложно переплетенных температурных эффектов физики и химии, включая переход вещества в четвертое состояние — плазму.
Силовое воздействие. Аэродинамические силы действуют через зоны давления, создаваемого обтеканием. Они могут иметь самый разный характер и достигать разных уровней воздействия. Корпус обжимают газодинамические силы. Они могут, нарастая, просто смять конструкцию, потерявшую устойчивость под этой нагрузкой. Одновременно аэродинамические нагрузки содержат переменные компоненты. Из-за особенностей обтекания могут возникать переменные силы, приводящие к добавочным движениям — от медленных раскачиваний корпуса до тряски и высокочастотных вибраций. Постоянное снижение скорости полета при возрастании плотности потока меняет вибрации и расположение зон их максимумов на частях конструкции, вызывает угасание одних вибраций и появление других. Динамика сил пробует на прочность материалы и конструктивные решения. Сложение динамической вибрационной нагрузки со статическим нагружением порождает пики силового воздействия с максимумами разрушительных уровней.
Сложность противостояния таким нагрузкам показала ракета Р-7, ставшая первой в мире межконтинентальной боевой ракетой. Стать ею оказалось сложнее, чем космическим носителем — у космического носителя нет задачи доставки груза к цели сквозь атмосферу, только вывод за нее. Поэтому сначала получилось запустить спутник и только через полгода после этого достичь межконтинентальной дальности с выполнением боевой задачи — то есть довести головную часть до боевого поля падения без разрушения в атмосфере. Это удалось впервые в конце марта 1958 года. Так боевая межконтинентальная траектория оказалась труднее космической орбиты.
Суборбитальная баллистика межконтинентальной ракеты
Схема использования суборбитальных траекторий для возвращения и посадки первой ступени ракеты-носителя Falcon 9
Схема использования суборбитальных траекторий для возвращения и посадки первой ступени ракеты-носителя Falcon 9
Все ракеты с дальностью, измеряемой в тысячах километров, являют собой боевую суборбитальную баллистику. Так назовем область, в которой выполнение боевых задач стоит выше обычной энергетической оптимальности. Особенности выполнения боевой задачи формируют добавочные, боевые черты движения. Они видны в параметрах — например, угла входа в атмосферу.
С каким углом падения лучше всего подходить к цели? Время для боеголовки — важный фактор, и чем быстрее заряд окажется у цели, тем лучше. Скорость доставки замедляется атмосферой. Как пройдет боеголовка наклонный путь в воздухе, так и определится картина потерь скорости. С точки зрения быстроты лучше падать в атмосферу вертикально с зенита, по кратчайшему пути.
Но организация вертикального падения требует огромного траекторного эллипса большой заатмосферной высоты с почти вертикальным участком встречи с поверхностью. Полет по столь протяженному пути долгий. Боевая задача ждет сокращения полетного времени. Чтобы добраться к цели быстрее, нужен большой горизонтальный разгон в направлении будущего района падения. Нужна настильность, как у выстрела скоростным боеприпасом — его пуля прилетит в мишень быстрее и по более пологой траектории. Горизонтальная скорость станет намного больше вертикальной, обеспечивая быстроту географического перемещения боеголовки. Такое соотношение скоростей даст малый угол входа в атмосферу с пологим снижением. Это долгий путь в атмосфере и значительные потери скорости боеголовки еще достаточно далеко цели.
Кроме того, пологая траектория входа оказывается в пространстве боевых ограничений. Противоракетные комплексы противника сбивают цели на большой, в том числе заатмосферной высоте. Долго идти над территорией противника на высотах работы этих комплексов неправильно. Ближние к точке падения противоракетные средства противника сработают в любом случае. Но давать работать по траектории и дальним комплексам — значит, излишне наклонять траекторию, проводя ее по верхним частям зон поражения далеких от цели противоракетных средств, подставляя ее под большее количество средств ПРО.
Так реальные углы входа в атмосферу боевых блоков ракеты выбираются как баланс нескольких важных задач, часто разнонаправленных. Как согласуются акценты баллистической и противоракетной оптимальности входа, по каким критериям и как повышается боевая эффективность изделия — сие тайна есть.
Визуально вход в атмосферу боеголовок выглядит зрелищно и лучше всего виден в спокойные ясные ночи средних морозов. Возникая в виде неподвижных тусклых точек среди звезд неба, картина продолжается их медленным смещением и усилением разгорающегося движения. Новые звезды за двадцать секунд вырастают до ярких огней, похожих на огни салюта, непривычно быстро летящих через небо. Их путь абсолютно ровный, наискось идущий к горизонту. Цвет иногда меняется на пару секунд, возвращаясь в бело-желтый. Летящие огни отбрасывают поворачивающиеся тени от всего вертикального, особенно хорошо видимые на снегу. На смену пролетевшим и угасающим на горизонте боеголовкам усиливают яркость и свое смещение в небе другие.
Картина полностью безмолвная, и только через 30–40 секунд после ее завершения баллистическая волна от пролета приходит на измерительный пункт множественными громовыми ударами, уходя дальше по рельефу стихающими раскатами. Это финальный аккорд. Загорается освещение, выключенное во время действа. Возбужденные прошедшей боевой работой операторы ФРС (фоторегистрирующих станций) отстыковывают на плоской крыше технического здания отснятые кассеты с широкой фотопленкой. Они зачехляют статуи фототеодолитов в рост человека, выстроившиеся короткой шеренгой, лицом в одном направлении, словно статуи моаи острова Пасхи. Телеметристы возятся в своих аппаратных на первом этаже. К двум часам ночи измерители уходят с технического здания в расположение части, остается дежурная смена. Какую оценку поставят измерительному пункту за эту боевую работу, покажет анализ полноты его данных.
Старт и работа разгонных ступеней — активный участок траектории — тоже может нести боевые особенности. Достаточный запас тяги позволит противоракетное маневрирование на активном участке. Затраты энергии на маневры оцениваются, добавочная тяга и топливо закладываются в конструкции ракеты и работе двигателя. Логика построения и размах маневров — противоракетных боевых элементов движения — на активном участке основывается на энергетике полета, деталях угрозы перехвата, доступных конструктивных решениях и других моментах.
Финальное разрушение непрочного
Боеголовки — суборбитальные летательные аппараты, проходящие атмосферу без разрушения, так они спроектированы. Следом за ними летит ступень разведения, или боевая ступень,— тоже суборбитальный летательный аппарат, но специализированный под другие задачи. Боевая ступень разводит боеголовки в космосе по их индивидуальным траекториям, то есть выполняет наведение боеголовок — совмещение траектории движения боеголовки с точкой цели. Выполнившая свою задачу еще в начале космического участка, боевая ступень входит в атмосферу следом за боеголовками в том же географическом районе падения.
Но, будучи пустой и гулкой своими выработанными топливными баками (это метафора, баков может и не быть), ступень скорее отзывается на действие атмосферы. Поэтому зона падения остатков ступени лежит немного раньше на трассе, чем область падения боеголовок. Ступень разведения входит в атмосферу без заданной ориентации к встречному потоку, как придется, своим развитым корпусом. Аэрогазодинамика обтягивает его сетью зон высокого горячего давления. С погружением в атмосферу силы и температуры на корпусе растут, зоны высокого давления начинают большими пассатижами ломать конструкцию.
Гиперзвуковой поток разламывает ступень на части, потом еще раз и еще. Фрагменты разлетаются и горят. С земли это выглядит крупной огненной звездой с оранжевым шлейфом позади. Порой вокруг ступени видны белые вспышки от сгорания магниевых фрагментов и осколков, похожие на сверкание сварки. Температура зажигания магния всего полтысячи градусов. Гиперзвук нагревает куски сильнее. Ступень, посверкивая, теряет яркость и шлейф огня и растягивается в небе ровной полосой убывающих оранжевых углей. Затормозившись до низкого сверхзвука, остатки ступени перестают светиться и пропадают из виду. Минут через двадцать с неба на местность сеется тихий дюралевый фрагментопад.
Аналогично разрушаются космические аппараты, покидая орбиту и входя в атмосферу пологими суборбитальными траекториями со сходной динамикой. Они распадаются и вытягиваются роем ярких углей из костра, иногда расширяя свой поток. Это траектории аэрогазодинамического разрушения, и тут свои задачи. Надо попасть в отведенный территориальный квадрат. В тесный район падения проще опускать аппарат круче, уменьшая разброс точки входа по горизонту. На больших доступных зонах падения, типа тихоокеанских, точность выдерживания координат точки входа уже не так важна. Текущее состояние атмосферы и активность Солнца меняют параметры верхних слоев воздуха и картину движения. А сам вход в атмосферу может происходить как управляемым сведением с орбиты, так и по сценариям неуправляемого падения.
Пилотируемая суборбитальность
Люди участвуют в суборбитальных полетах крайне редко, гораздо реже полетов в космос. Их сегодня можно пересчитать по пальцам. Это плановые первые суборбитальные полеты Алана Шеппарда и Вирджила Гриссома, поднимавшихся в 1961 году на высоту 187 км и 190 км. Это полеты на американском экспериментальном гиперзвуковом ракетном самолете Х-15 с достижением в 1963 году пилотом Джозефом Уокером высоты 106 км и 108 км. И полеты Майкла Мелвилла и Брайана Бонни, испытателей баллистического туристического средства SpaceShipOne американской компании Scaled Composites. Аппарат поднимался немного выше 100 км, заходя в космическое пространство.
Кроме того, случались суборбитальные полеты в ходе аварийных пусков в космос. В 1975 году экипаж «Союза-18-1» в составе Василия Лазарева и Олега Макарова оказался на суборбитальной траектории в результате аварии третьей ступени ракеты и срабатывания системы аварийного спасения. Корабль свободно падал с высоты 192 км, перегрузка в атмосфере превысила 20 единиц, вплотную подойдя к смертельным значениям. Но экипаж выжил и даже продолжил участие в полетах. В октябре 2018 года случился похожий полет по суборбитальной траектории корабля «Союз МС-10» с Алексеем Овчининым и американцем Тайлером Хейгом. Перегрузка не превысила 6g, оставаясь легкопереносимой и не доходя до драматических уровней.
CST-100 Starliner, новый космический корабль Boeing с экипажем на семь человек, запускается в космос по суборбитальной траектории, как «Спейс Шаттл». Ракета-носитель, полностью отработав, выводит его не на околоземную орбиту, а на суборбитальную траекторию. Оставшееся до орбитального движения небольшое приращение скорости корабль делает сам, своими бортовыми двигателями. В случае отказа двигательной установки корабля он таким образом автоматически возвращается на Землю по суборбитальной кривой с автоматической парашютной посадкой в конце атмосферного участка. Но штатный запуск не предусматривает суборбитальной траектории.
Космический корабль "Starship" в изображении художника
Фото: Space X Mars Program
Космический корабль "Starship" в изображении художника
Фото: Space X Mars Program
Суборбитальные ступени
Посадка в конце суборбитальной траектории возможна не только парашютная, но и на опоры с торможением двигателем. По таким суборбитальным траекториям движутся первые ступени ракеты-носителей Falcon 9 и Falcon Heavy, выполняя приземление на космодром или баржу в океане. Это нетипичные, специализированные суборбитальные траектории, особенно при возврате в район старта. Двигатели разворачивают разогнавшуюся от точки старта ступень обратно к старту, как коня за узду, создавая новый практический тип суборбитальных траекторий.
Их вид похож на огромную петлю, привычную в авиационных полетах, по форме напоминающую старые трамвайные дуги. Место посадки находится в 9 км от стартовой площадки. Верхняя дуга этой баллистической петли поднимается до 200 км и уходит в сторону от старта на 100 км. Но ступень может садиться и на платформу в океане в 300 км от старта, в этом случае поднимаясь до 140 км по привычной арке без петли, с особенностями наведения на конечном участке. А при запусках на геопереходную орбиту, требующую большего разгона, точку посадки располагают в 630–660 км от старта.
Траектории возвращения к старту несут еще один важный момент. У них не возникает плановых падений, поэтому не нужны и безлюдные зоны для этого. Для плотно населенной территории это важно. Ступени с надежностью авиационного уровня могут свободно летать над континентом, как самолеты. Снимутся основные территориальные ограничения, связанные с трассами выведения - наземными проекциями траекторий на поверхность Земли. Увеличится горизонтальный маневр, шире будут использоваться искривленные трассы, с длиной трассы больше ортодромной дальности (кратчайшей на поверхности). Такая наземная кривая может обходить объекты, не допустимые на линии трассы. Все это снизит ограничения для космодромов и портов суборбитальной баллистики, которые можно будет строить недалеко от аэропортов.
Homo ballisticus suborbitalensis
Суборбитальная область осваивается человеком уже скоро 80 лет, давно и плодотворно в нескольких направлениях, исследовательских, боевых и космических. Она всегда была и оставалась перспективной с первого полета и на каждом этапе освоения, и сегодня ее перспективность только возрастает. Сейчас суборбитальные полеты остаются в областях специфических дел, узких, специальных, не касающихся обычного человека. Так когда-то развивалась реактивная авиация — сначала только боевые системы. Лишь потом возникли пассажирские самолеты, сделавшие реактивные полеты массовыми.
Боевая суборбитальная баллистика плотно освоена, глубоко и специальным образом проработана и продолжает развиваться, посадочная космическая — тоже. Аппараты этих областей малочисленны, их полеты относительно редки, а в космических запусках относительно мало посадок. Рост суборбитальной многоразовой практики в космических пусках расширяет ее транспортное применение с постепенным занятием более весомой части в системе ценностей и жизни людей. Так в мир человека входила новым элементом железная дорога, потом автомобиль, потом самолет, без которых трудно представить сегодняшнюю жизнь.
С появлением новой матчасти картина боя может измениться, как гласит старая истина. Если создать баллистическое средство на сотню пассажиров, способное выходить в космос, оно породит новый формат массовых перемещений человека. Возникнет пассажирская баллистика.
Из Нью-Йорка в Токио долететь за 40 баллистических минут. Обогнуть Землю за пару часов при хорошей стыковке баллистических рейсов. Возникнет баллистический пассажиропоток. Суборбитальные пассажирские маршруты разойдутся из космопортов плотными снопами в космосе. Для их описания, стандартизации и ограничений создадут протоколы суборбитального движения. Их сформируют в связи с энергетикой движения, безопасностью по столкновениям, низкоорбитальной обстановкой, бортовым комфортом, технологичностью и другими критериями. Возникнут низкие околоземные расписания движения по пассажирским суборбитальным траекториям. Необходимость управления низкой баллистической околоземной обстановкой потребует высокой координации через создание наднациональных органов действия.
Человеческий мир может в очередной раз ощутимо измениться. Массовый доступ суборбитальных пассажиров в космическое пространство вызовет отмирание мелких суборбитальных капсул типа SpaceShipOne и New Sheppard компании Blue Origin. Возможность за 40-50 минут отправить на другую сторону Земли одним баллистическим бортом роту спецназа, а несколькими балбортами батальон или полк, с техникой, топливом и боекомплектом, изменит военные расклады и может привести к появлению нового рода войск.
Сегодня уже мало сомнений в реальности таких средств. Компания SpaceX Илона Маска полным ходом создает свою ракету-корабль Starship, которая сможет брать на борт сотню пассажиров. Идут летные испытания прототипов, в 2022 году запланированы космические полеты этого средства в грузовом беспилотном режиме, а с 2024 года планируются пилотируемые полеты. И хотя корабль позиционируется как орбитальный, ничто не мешает ему быть многоцелевым, выступив в качестве пассажирского суборбитального транспортного средства. Нужно лишь понизить энергию запуска, не дотянув до орбитального движения и оставшись в рамках суборбитальной траектории. Сроки запусков и программа испытаний наверняка будут корректироваться, но Маску не откажешь в умении создавать новую баллистическую технику. Поэтому весьма вероятно скорое появление у SpaceX суборбитального пассажирского транспортного средства.
И не только пассажирского. В октябре компания SpaceX и техасская аэрокосмическая компания xArc заключили контракт с Пентагоном на разработку транспортной ракеты, которая сможет доставить 80 тонн военного груза, включая оружие, за час в любую точку Земли. В частности, с мыса Канаверал во Флориде на американскую базу Баграм в Афганистане (около 14 170 км) меньше чем за час. В отличие от транспортного самолета C-17 Globemaster III, которому для доставки такого груза потребуется 15 часов полетного времени, суборбитальный путь не требует разрешения на пролет через национальные воздушные пространства. Первые демонстрационные испытания по проекту ожидаются в следующем году.
Что грядет дальше в суборбитальной баллистике? Как ХХ век стал авиационным веком, так XXI век, вероятно, станет баллистическим веком человека. Ниша баллистической быстроты перемещения людей сейчас не освоена — однако она освоится, баллистические скорости очень привлекательны. В 20-м году прошлого века не было реактивной авиации, самолеты летали в формате матерчатых бензиновых бипланов, уступая в скорости быстрейшим птицам. Но вторая половина века радикально изменила авиацию и мир. Вполне вероятно повторение такого векового цикла и в баллистическом исполнении.
Сложится охват планеты плотнеющей сетью суборбитальных пассажирских сообщений с многократным ростом пассажиропотока. Пойдут развиваться и суборбитальные грузоперевозки, в том числе в военных целях. В связи с ними эволюционируют и средства перехвата суборбитальных целей. Это снова будут специализированные системы, опять боевые. Виток замкнется на новом уровне, и траектория развития по спирали продолжится дальше в формах и деталях, с трудом просматриваемых из нашего сегодняшнего дня.