Проект SpinLaunch. На центробежной силе в космос

Силами небольших частных предприятий в США сейчас прорабатываются разные варианты систем доставки грузов на орбиту, в т.ч. с необычными принципами работы. Так, калифорнийский стартап SpinLaunch разработал и довел до испытаний «суборбитальный ускоритель», использующий центробежный принцип запуска нагрузки. Несколько недель назад опытная установка успешно выполнила свой первый пуск.

В поисках альтернативы

Компания SpinLaunch (дословно «запуск вращением») была основана в 2014 г. в г. Саннивейл (шт. Калифорния). С самого начала единственной задачей компании являлась разработка принципиально новой системы космических пусков, имеющей преимущества перед традиционной ракетно-космической техникой. Вместо ракет и двигателей на химическом топливе система SpinLaunch должна использовать центробежную силу.В течение нескольких следующих лет компания провела необходимые научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Были созданы проекты опытной и полноразмерной установок SpinLaunch. Демонстратор технологий, имеющий ограниченные возможности, получил собственное название Suborbital Accelerator («суборбитальный ускоритель»). Полноразмерную систему, соответственно, называют орбитальным ускорителем.

В отличие от других космических стартапов, SpinLaunch не уделяла большого внимания рекламе. Основная часть работ была проведена без особого шума и регулярных громких новостей. Впрочем, к началу 2020 г. ей удалось получить финансовую поддержку нескольких инвесторов и даже заинтересовать Пентагон.2019-20 гг. компания SpinLaunch начала подготовку к будущим испытаниям. В частности, штаб-квартира стартапа переехала в г. Лонг-Бич, а для проведения практических мероприятий арендовали площади космодрома Spaceport America в шт. Нью-Мексико. К настоящему времени там была построена опытная пусковая установка. 22 октября состоялись первые ее испытания с успешным запуском имитатора ракеты.

Центробежный принцип

Принцип действия установки SpinLaunch достаточно прост, но его реализация достаточно сложна в техническом отношении. При этом успешное решение конструкторских задач позволяет получить определенные преимущества технического, энергетического и даже экологического характера.Основным и наиболее крупным элементом установки SpinLaunch является цилиндрическая вакуумная камера. Внутри нее находится центрифуга для разгона полезной нагрузки, а снаружи предусматривается проходящая по касательной направляющая труба, верхний торец которой герметично закрыт мембраной. Также в комплекс входят опорное устройство, электрические приводы центрифуги, насосная установка и т.д. В зависимости от необходимой орбиты, камера с трубой могут устанавливаться как вертикально, так и под наклоном.Внутри камеры находится центрифуга с удерживающим устройством для ракеты с полезной нагрузкой. Во время запуска она должна набирать расчетные обороты, сообщая ракете требуемую кинетическую энергию. Затем в заданный момент времени происходит освобождение ракеты, она попадает в направляющую трубу и через нее покидает установку, прорывая мембрану.

Для SpinLaunch предлагается особая ракета-носитель. Это многоразовое двухступенчатое малогабаритное изделие, имеющее отсек полезной нагрузки и собственную двигательную установку ограниченной мощности. Грузоподъемность такой ракеты достигнет 400 фунтов (181 кг) для низкой околоземной орбиты.По задумке разработчиков, полноразмерная пусковая установка должна «раскручивать» и выбрасывать ракету со скоростью более 2200 м/с. За счет накопленной энергии она сможет за минуту подняться на высоту более 60 км, где будет производиться запуск собственного двигателя для дальнейшего полета на орбиту. После вывода полезной нагрузки ракета должна возвращаться на Землю для подготовки к следующему старту.

В разных масштабах

К настоящему времени компания SpinLaunch построила опытную установку Suborbital Accelerator и начала ее испытания. Этот комплекс имеет общую высоту ок. 50 м и обеспечивает запуск ракеты вертикально вверх. Для проведения опытов также разработан уменьшенный вариант ракеты длиной ок. 3 м. Он не имеет двигателя, а полезная нагрузка выполнена в виде контрольной аппаратуры.Первый пуск с опытной установки состоялся 22 октября. Используя 20% от расчетной мощности, установка разогнала ракету до скорости «тысяч миль в час», благодаря чему та поднялась на высоту «десятки тысяч футов». При этом точные характеристики пуска и полета не называются.В ближайшие месяцы компания-разработчик планирует продолжать испытания своего «суборбитального ускорителя». Предполагается провести до 30 суборбитальных запусков для отработки всех систем. Затем возможен переход к орбитальным пускам – если реальные характеристики системы позволят это.В дальнейшем компания завершит разработку и начнет строительство полноразмерного «ускорителя». Он будет примерно втрое больше опытного образца и покажет соответствующие рабочие характеристики. Ожидается, что этот вариант SpinLaunch сможет выводить на орбиты реальную нагрузку и сумеет выйти на рынок пусковых услуг.

Согласно расчетам, уже частично подтвержденным испытаниями, центробежная система запуска имеет некоторые преимущества перед традиционными ракетно-космическими комплексами. Впрочем, имеются и характерные недостатки, преодоление которых оказывается крайне сложной задачей.В первую очередь, расчетным преимуществом SpinLaunch является экономичность и энергетическая эффективность. В отличие от ракеты-носителя, центрифуга разгоняет полезную нагрузку плавно и при помощи экономичного электродвигателя. Соответственно, разгон и отрыв требуют меньше энергии. По расчетам, такой запуск позволяет вчетверо сократить количество топлива, необходимое для дальнейшего подъема на орбиту.Важным преимуществом SpinLaunch является относительная простота подготовки к запуску. Ожидается, что такая система сможет осуществлять несколько запусков в сутки с минимальным интервалом. Высокая производительность окажет заметное влияние на экономические показатели.

Преимущества и недостатки

Отмечаются и экологические особенности проекта. Так, основную работу система будет выполнять при помощи электроэнергии, которая может иметь «чистое» происхождение. При наличии ракеты с двигателем, продукты горения вырабатываются в минимально необходимом количестве и выбрасываются только в верхних слоях атмосферы, где представляют минимальную опасность для окружающей среды.Компания-разработчик утверждает, что новые технические решения позволяют в разы сократить стоимость пуска в сравнении с традиционными ракетами-носителями. По расчетам, этот параметр может быть доведен до 500 тыс долл. за пуск – менее 3 тыс долл. за 1 кг нагрузки. Столь низкая стоимость обязательно привлечет внимание заказчиков и поспособствует росту количества стартов, что тоже поможет уменьшению расценок.Однако для достижения таких целей необходимо справиться с несколькими серьезными проблемами. В первую очередь, это общая сложность конструкции. Строительство вакуумной камеры диаметром в десятки метров является непростой задачей. При этом работоспособность и надежность такого агрегата является критически важной для всей пусковой системы. Любая трещина и нарушение вакуума может иметь самые серьезные последствия.Второй недостаток системы и концепции в целом – ограниченные энергетические возможности. Даже полноразмерная система SpinLaunch сможет отправлять на низкие орбиты менее 200 кг, что серьезно ограничит круг потенциальных нагрузок и заказчиков. Кроме того, фактически отсутствуют возможности для масштабирования. Повышение выводимой нагрузки связано с увеличением размеров пусковой установки, которая и без того получается чрезмерно крупной и сложной.

На этапе испытаний

По всей видимости, разработчики системы SpinLaunch прекрасно знают все сильные и слабые стороны своего проекта. Рассказывая о нем, они делают акцент на преимуществах, тогда как с недостатками пытаются разобраться «в закрытом режиме». Насколько успешной будет эта работа и удастся ли получить оптимальное соотношение всех характеристик – покажут испытания.Первый запуск упрощенной «ракеты» с тестовым оборудованием состоялся несколько недель назад, и на этом испытания не остановятся. Только на ближайшие месяцы запланировано ок. 30 пусков с теми или иными задачами. И по результатам этих мероприятий будут определены пути дальнейшего развития проекта. Конечно, если опытная установка подтвердит расчетные характеристики и покажет общую целесообразность проекта.