Турбовинтовой космолёт Roton: безумный или безумно гениальный?

В закладки
Аудио
Турбовинтовой космолет Roton в полете. Концепт-арт. Автор: Joe Bergeron.

28 июля 1999 года из космопорта Мохаве в небо поднялся необычный летательный аппарат, больше всего похожий на знаменитый пепелац из фильма «Кин-дза-дза!» режиссера Георгия Данелии. О том, что это за экзотическая конструкция, кто ее создал и чем все закончилось, я вам сегодня и расскажу.

Одержимый SSTO

Американский инженер Гэри Хадсон (Gary Hudson) начинал свою карьеру, как и многие до него, с создания одноразовых ракет на жидком топливе. Он был разработчиком одной из первых частных ракет Percheron, созданной компанией SSIA (*). Как это часто бывает, первая попытка запуска в августе 1981 года завершилась неудачей, и SSIA решили сосредоточиться на твердотопливных ракетах, поэтому пути Гэри с этой компанией разошлись.

Гэри Хадсон во время тестов Roton ATV. Источник: www.m.aftershock.news

Но настоящей страстью Гэри еще с начала 1970-х годов была идея SSTO — Single Stage To Orbit — многоразовых одноступенчатых орбитальных пилотируемых космических кораблей, способных выводить груз и людей на орбиту и возвращать их обратно. (*) Со всей страстью он защищал эту концепцию перед космическим сообществом и верил, что уже в 1980-х годах она будет технически осуществима. В 1982 году, после ухода из SSIA, он основал компанию Pacific American Launch Systems с целью разработки небольшого многоразового корабля под названием Phoenix (*), и хотя средства на его разработку собрать не получилось и Phoenix никогда не летал, Гэри продолжал верить в свою идею.

Вариант дизайна SSTO Phoenix 1985 года в представлении художника. Источник: www.spacefuture.com

Несмотря на общую неудачу проекта, нельзя сказать, что эти разработки пропали даром. В 1989 году Aerospace Corporation провела исследование проекта Phoenix для консультативного совета по космической политике вице-президента Дэна Куэйла. Положительная оценка этого доклада помогла начать работы над экспериментальным аппаратом Delta Clipper, или DC-X, в начале 1990-х годов, про который на Alpha Centauri есть хорошая статья. DC-X, в свою очередь, вдохновил SpaceX и Blue Origin — так что, как видите, многое в истории ракетной индустрии взаимосвязано 🙂

Ракета с вертолетным винтом

В 1993 году Гэри начал работать со своим старым знакомым Бевином Маккинни (Bevin McKinney), предложившим идею создания аппарата, который сначала показался Гэри безумным. Вот как он описывал эту встречу в одном из интервью:

Примерно три года назад мы с моим другом Бевином Маккинни сидели в конференц-зале American Rocket Company, со-основателем которой он был, и он рассказал мне о своей новой идее. Он хотел построить космический вертолет — космический корабль, приводимый в движение огромным пропеллером. Моей первой реакцией было вежливое: «Бевин, это безумие». Но второй реакцией было продолжать слушать. Разница между «просто безумным» и «безумно гениальным» часто заключается лишь в смене точки зрения, а в этом Бевин был мастером. Некоторые из его прежних сумасшедших идей — таких как гибридная жидкостно-твердотопливная ракета, которая не может взорваться — оказались впоследствии именно безумно гениальными. (*)

Учитывая его любовь к SSTO, Гэри не смог преодолеть искушение принять участие в этой затее. В период проектирования Roton (именно так назвали создатели свой аппарат) предлагались разные концепции дизайна, включая вариант с несущим винтом, расположенным в нижней части аппарата.

Одна из ранних концепций дизайна Roton. Автор: Tom Brosz

Однако в итоге винт было решено перенести наверх, и первая концепция дизайна аппарата была готова.

Начальная концепция

SSTO прежде всего нуждаются в двух вещах: высокоэффективном двигателе и максимальном облегчении конструкции. Идея Бевина состояла в том, чтобы кардинально снизить вес аппарата, используя турбовинтовой двигатель в наиболее плотных слоях атмосферы, и избавиться от некоторых элементов конструкции традиционных ракет. В верхней части аппарата по концепции располагался специально сконструированный несущий винт, на концах лопастей которого находились небольшие ракетные двигатели на перекиси водорода.

Ракетный двигатель на конце винтовой лопасти Roton. Фото: Rotary Rocket Company

На ранней стадии полета лопасти винта, вращаемые ракетными двигателями, создавали бы подъемную силу, достаточную для того, чтобы преодолеть нижние плотные слои атмосферы. В более высоких слоях атмосферы, где разреженный воздух уже не позволял использовать винт для набора высоты, аппарат должен был перейти на полет на основных ракетных двигателях. При этом вращающийся винт действовал бы как гигантский турбонасос, поднимающий горючее из баков, расположенных в нижней части аппарата. (*)

Эта особенность конструкции позволяла отказаться от технически сложных и обладающих большой массой топливных насосов, еще больше снижая массу аппарата.

Тесты несущего винта. Roton ATV. Фото: Rotary Rocket Company

Другим ключевым аспектом разработки многоразового корабля является успешное возвращение из космоса. Roton должен был делать это, используя водоохлаждаемую теплозащиту (*). Развертываемый несущий винт должен был обеспечивать торможение за счет авторотации, что позволило бы произвести медленный, управляемый спуск и осуществить мягкую посадку. Поскольку топливо и окислитель из основных баков полностью использовались еще при взлете, раскрутку лопастей должны были обеспечить те самые небольшие двигатели на перекиси водорода, размещенные на концах лопастей. (*) Вертикальная посадка позволяла Roton приземляться на любую небольшую ровную площадку, как сейчас делает первая ступень Falcon 9 — в отличие от шаттлов, которым требовалась длинная ВПП.

Развитие технической концепции

Не менее примечательной частью конструкции Roton должна была стать его двигательная система. Первоначально аппарат был рассчитан на вывод на орбиту небольших спутников связи. Однако в начале 1999 года, в связи с кризисом рынка выведения малых спутников, Roton был переориентирован на запуск более тяжелой полезной нагрузки. Основными двигателями теперь должны были стать клиновоздушные ракетные двигатели RocketJet™ (*) в количестве 72 штук, располагавшиеся в кольцевой системе, которая вращалась вокруг продольной оси аппарата, создавая центробежную силу, необходимую для закачки топлива под высоким давлением в камеры сгорания. Кольцевая система должна была вращаться со скоростью 720 оборотов в минуту! (*)

Кольцевая вращающаяся двигательная система. Источник: Roton Rotary Company

Взлет теперь должен был осуществляться исключительно на двигателях, без использования несущего винта, который в новой концепции применялся только для посадки.

Схема полета Roton в новой концепции 1999 года. Источник: www.astronautix.com

Эта система получила название Roton C-9 PTV (Propulsion Test Vehicle). Вот ее технические характеристики:

Описание аппарата:
— Экипаж из 2 человек (пилот и специалист по полезной нагрузке)
— Полностью многоразовый
— Одноступенчатый орбитальный космический аппарат (SSTO)
— Практически всепогодный
— Вертикальные взлет и посадка (VTOL)
— Управляемая мягкая посадка с использованием авторотации несущего винта с рулевыми двигателями на лопастях

Технические характеристики:
— Высота: 19,5 м
— Диаметр: 6,7 м в самой широкой части
— Стартовая масса (GLOW): < 181 тонна
— Основной двигатель: Rotary RocketJet Aerospike, 72 штуки тягой 30,9 кН каждый
Скорость вращения: 720 оборотов в минуту
— Топливо: жидкий кислород (31,75 тонн) и керосин (104,32 тонн)
— Время работы двигателей: 253 секунды
— Удельный импульс: 340 с (3,3 км/с)
— Полезная нагрузка: 3,17 тонны на НОО
— Ориентировочная стоимость полета: $7 миллионов

Параметры грузового отсека:
— Вместимость: 3,17 тонны на орбиту с наклонением 50° и высотой 296 км
— Размеры грузового отсека: 3,65 м в диаметре x 5,08 м в высоту
— Предел осевой нагрузки при подъеме — 4g
— Предел осевой нагрузки при спуске — 8g
— Предел боковой нагрузки — 1.5g
— Отсутствие пиротехнического удара при отделении полезной нагрузки
— Температура в грузовом отсеке при подъеме на орбиту 32°C
— Класс чистоты 100,000
— Стартовая площадка — аэропорт Мохаве, Калифорния (*)(*)

Конструкция Roton C-9 PTV. Источник: Rotary Rocket Company

Компания планировала провести тесты атмосферного прототипа в 1999 году, тесты двигательной системы — в 2000 году, и начать орбитальные полеты в марте 2001 года. Больше подробностей об этом аппарате и конкретных планах компании в апреле 1999 года можно прочитать в их презентации, составленной для NASA.

В июне 1999 года, столкнувшись с недостатком финансирования, Rotary Rocket Company объявила, что отказывается от разработки кольцевой вращающейся двигательной системы и заменяет ее классическими кислород-керосиновыми двигателями Fastrac производства Космического центра им. Маршалла (*).

Финансирование и разработка прототипа

После того, как Бевину Маккинни удалось заинтересовать Гэри Хадсона своей идеей, они выпустили большое интервью в Wired, которое привлекло внимание инвесторов. Наиболее крупными стали миллионер Уолт Андерсон и знаменитый автор бестселлеров Том Клэнси, которые вложили в компанию $5 миллионов и $1 миллион соответственно. (*) Также существенные средства вложила инвестиционная компания Gold & Appel. Всего созданной Гэри и Бевином компании, названной Rotary Rocket Company, удалось привлечь около $33 миллионов.

Том Клэнси — известный писатель и сценарист компьюретных игр. Фото: © G.P. Putnam Sons/David Burnett

Собранные средства позволили компании создать прототип под названием Roton ATV (Atmospheric Test Vehicle), что даже удивительно для такого инновационного дизайна. Создателем всех основных систем стала компания Scaled Composites. Полноразмерный прототип предназначался исключительно для атмосферных испытаний, поэтому не имел ракетных двигателей и теплозащиты. На нем был установлен винт от разбившегося Sikorsky S-58, что существенно сэкономило средства компании, поскольку подобная замена была в 20 раз дешевле, чем изготовление специального «космического» винта.

1 Марта 1999 года Roton ATV был торжественно представлен публике. На презентации присутствовали руководители компании, основные инвесторы, включая Тома Клэнси, а также пилоты-испытатели. Гэри Хадсон пытался сделать из презентации максимально медийное событие, чтобы привлечь новых инвесторов, поскольку собранные ранее средства подходили к концу. В конце презентации аппарат торжественно закатили обратно в сборочный цех.

Презентация Roton ATV в аэропорту Мохаве. Фото: Bruce Damer / www.damer.com

Прототип был пилотируемым. Кабина пилотов, которую за ее расположение и отвратительный обзор пилоты прозвали «Batcave» (*), располагалась на высоте около 4 метров и имела обзорное окно диаметром примерно 2 метра. Испытателями стали Марти Саригул-Клейн (Marti Sarigul-Klijn) и Брайан Бинни (Brian Binnie), который впоследствии также принимал участие в тестировании SpaceShipOne.

Кабина пилотов Roton ATV. Фото: www.stargazer2006.online.fr

Первый тестовый полет Roton ATV состоялся 28 июля 1999 года. Он включал в себя три прыжка общей продолжительностью 4 минуты 40 секунд, в ходе которых аппарат поднялся максимум на 2,4 метра над землей. Пилоты сочли полет крайне сложным по ряду причин. Видимость в кабине была чрезвычайно ограничена, а обзор земли был полностью закрыт, поэтому пилотам приходилось полагаться на звуковой высотомер, чтобы судить о близости земли. Аппарат в целом обладал низкой вращательной инерцией, и крутящий момент от вращающихся лопастей винта заставлял корпус вращаться, если только ему не противодействовала тяга по рысканию в противоположном направлении.

Вот видеозапись этого теста, и несмотря на плохое качество самой записи, можно легко заметить все моменты, которые обеспокоили пилотов:

Первый тестовый полет Roton ATV, 28.07.1999

Несмотря на выявленные глобальные замечания по кабине, второй тестовый полет состоялся уже 16 сентября 1999 года. Ее расположение, конечно, разработчики исправить не могли, но добились более устойчивого полета благодаря установке более мощных рулевых двигателей на концах несущих винтов и автожира. Непрерывный полет продолжался 2 минуты 30 секунд, и аппарат достиг максимальной высоты 6,1 м. Вот его запись:

Второй тестовый полет Roton ATV, 16.09.1999

Третий и последний полет был совершен 12 октября 1999 года. Roton ATV пролетел вдоль полосы в аэропорту Мохаве примерно 1310 м, поднявшись при этом на максимальную высоту 23 м. Скорость достигала 85 км/ч. В этом испытании снова была выявлена некоторая неустойчивость в горизонтальном полете, но зато это был самый впечатляющий тест из всех:

Третий тестовый полет Roton ATV, 12.10.1999

В четвертом тесте была запланирована полная имитация авторотационной посадки. Аппарат должен был подняться на высоту 3050 м на турбовинтовом двигателе, затем дросселировать его и совершить мягкую посадку. Однако, учитывая, что дальнейшее финансирование уже тогда было маловероятным, соображения безопасности помешали проведению испытания.

… и тут закончились деньги

Да, к сожалению, третий тестовый полет Roton ATV стал последним. Для строительства орбитального прототипа и продолжения деятельности Rotary Rocket Company требовалось привлечь еще порядка $120 миллионов, но банкротство Iridium Communications в августе 1999 года и последовавший за ним кризис в частной космической отрасли сильно охладили пыл инвесторов. В 2000 году Гэри Хадсон ушел с поста исполнительного директора компании и его место заняла Хелена Хардман (Helena Hardman) (*). Она пыталась разработать новый бизнес-план и собрать средства на продолжение разработки Roton, но крах доткомов положил конец ее попыткам. В 2001 году деятельность компании была официально прекращена.

Несмотря на то, что именно нехватка средств везде называлась основной причиной неудачи проекта, нельзя не отметить, что инновационный — и даже в какой-то мере безумный — дизайн турбовинтового космолета не мог этому не способствовать.

Как показали тесты, управление Roton было неудобным и небезопасным, а посадка — очень сложной. Многие системы корабля, даже после отказа от экзотических клиновоздушных двигателей и кольцевой вращающейся двигательной системы, не были протестированы, так что осталось неизвестным, смог ли бы Roton развить достаточную производительность, чтобы достичь орбиты и вернуться.

Roton ATV в аэропорту Мохаве. Фото: Jim Sharkey / Spaceflight Insider

Когда в 2003 году журналисты спросили Гэри Хадсона, захотел ли бы он вернуться к разработке Roton, если бы ему прямо сейчас дали $300 миллонов, он ответил:

Нет. Проект разработки Roton был похож на крушение поезда, когда все видят, что мост впереди разрушен, но машинист не может затормозить вовремя, а другие люди просто бросают рычаги управления. Но я все равно горжусь достижениями Rotary Rocket. (*)

А что же с прототипом? Roton ATV и сейчас находится на территории космопорта Мохаве в качестве памятника этому уникальному проекту. Будете в тех краях — не проходите мимо! Ну или прикупите себе вот такую модельку в коллекцию:

Модель Roton ATV от Fantastic Plastic Models. Фото: www.fantastic-plastic.com

Катя Павлущенко @Kalinegrey специально для Alpha Centauri.

Автор категорически возражает против копирования этой статьи на сторонние ресурсы без своего разрешения.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

35
Войдите, чтобы видеть ещё 28 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Космическая Альпака
Вечность назад

Без гравицапы до орбиты - не вариант

Грустный Илон
Вечность назад

Ну, как говориться, Пепелац без гравицапы может летать только горизонтально...

Майор Том
Вечность назад

Так, пам'ятаю цю іграшку ще з тих часів. Завжди добру посмішку один лише вигляд її викликав. Гадаю, якщо не вся концепція в незмінному вигляді, то окремі ідеї точно згодяться в майбутньому. На іншій матеріально-технологічній базі, звісно

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.