ASTRID Rocket Flight Test      Перевод Avmich. Оригинал статьи тут.    Лётные испытания ракеты АСТРИД    Наш недавний наземный запуск самой маленькой в мире ракеты, имеющей насосную подачу, разработанной в Лаборатории Лоуренса в Ливерморе, показывает, что наша новая технология может разгонять ракеты до скоростей, достаточных для того, чтобы перехватывать тактические баллистические ракеты. Теперь мы видим варианты экономичного применения этой новой двигательной системы в коммерческих аэрокосмических аппаратах, при исследованиях планет и для оборонных целей.    В течение более чем 5 лет Лаборатория Лоуренса разрабатывала новый тип двигательной системы с ЖРД при поддержке Организации Противоракетной Обороны Департамента Обороны. Наша легковесная двигательная технология, которая выиграла приз Лучшей Сотни работ по Исследованиям и Разработкам 1992 года, включает миниатюрные насосы, которые могут реагировать на колебания тяги в течение миллисекунды и таким образом удовлетворять различным требованиям по управлению аппаратами. Технология тяги по запросу с использованием насосной подачи для космических аппаратов описана более подробно в мартовском номере журнала Обзор Энергетики и Техники (Energy and Technology Review). В этом году мы впервые испытали в полёте специальный ракетный двигатель, проведя наземный старт самой маленькой в мире жидкостной ракеты с насосной подачей.    Почему новая двигательная система?    Характеристики небольших жидкостных двигательных систем для космических аппаратов всегда была ограничена отсутствием насосов. Небольшие двигательные установки, которые имеют примерно одинаковое давление в баках и двигателях, без использования насосов, представляют компромисс. Их эффективность ограничена оттого, что конструкторам необходимо применять давление, промежуточное между высоким, необходимым для уменьшения и облегчения двигателей, и низким, нужным для того, чтобы баки с топливом оставались тонкостенными и лёгкими. Насосы могли бы обеспечить желаемое высокое давление без необходимости увеличивать вес, необходимый для баков высокого давления.    Малые ракетные системы сейчас работают посредством использования инертного газа высокого давления для наддува бака с топливом до давления, слегка превышающего давление в двигателях. Все космические аппараты до сих пор - включая спутники связи и автоматические межпланетные станции, такие как Викинг, Вояджер, Магеллан, Галилео, Клементин и Марс Обзёрвер - используют баки с топливом, которые работают при более высоком давлении, чем камеры двигателей. Такая вытеснительная система обладает простотой и надёжностью в целом, но, опять-таки, её производительность ограничена. В частности, баки, спроектированные под стандартные в космических аппаратах (КА) давления величиной около 2 МПа (300 psi [фунтов на квадратный дюйм]), могут хранить и предоставлять топливо массой в 10-20 собственных масс. Двигатели, спроектированные для работы с такими баками среднего давления, обычно могут поднимать 10-20 собственных масс. Рис.1.    Напротив, наш новый подход - уникальная двигательная система, которая спроектирована вокруг пар возвратно-поступательных насосов, работающих в противофазе - позволяет КА двигаться быстрее и дальше с меньшим полным весом, чем было ранее возможно. Баки низкого давления, подходящие для нашей технологии, могут содержать топливо массой около 50 собственных масс, а наш двигатель (включая насосы и камеры сгорания, рассчитанные на высокое давление) может обеспечивать тягу, в 50 раз превышающую собственный вес. На рисунке 2 АСТРИД сравнивается с примерами существующих ракетных двигательных систем. В дополнение к весу баков и двигателей, этот график принимает в расчёт вспомогательное двигательное оборудование, находящееся как на АСТРИД, так и на КА с вытеснительной системой. Наше достижение в области ракетной техники означает, что теперь можно планировать различные космические полёты с меньшими и более лёгкими двигательными установками, чем было допустимо раньше. Рис.2.    О ракете АСТРИД    Мы только что закончили годовой проект, который завершился испытательным полётом нашего нового ракетного двигателя. Многие компоненты двигательной установки, которые испытывались в ракете, эволюционировали в течение 5 лет разработок, имевших своё начало в программе Brilliant Pebbles, которая занималась миниатюрными перехватчиками. Отчасти как дань этой истории, наш проект был назван "перспективной одноступенчатой технологией с демонстрацией быстрого выведения" (advanced, single-stage technology, rapid insertion demonstration), или сокращённо АСТРИД (ASTRID).    Мы построили ракету АСТРИД (рисунок 3) для того, чтобы продемонстрировать возможность построения маленького, высокоскоростного перехватчика, который также будет оснащён системой навигации и смонтированными на боках двигателями для изменения курса. Такие перехватчики предназначались для установки и запуска с беспилотных, летающих на большой высоте самолётов, называемых РЭПТОР (RAPTOR), которые разрабатывались параллельно Лабораторией по Программе Противоракетной защиты Театра военных действий (Theater Missile Defense Program) для защиты военных сил, союзников, и их населённых центров от вражеских атак тактических баллистических ракет. (См. статью на с. 1, названную "Следопыт" (Pathfinder) и описывающую один из прототипов РЭПТОРа). Рис.3.    Проект АСТРИД достиг успешной демонстрации возможностей нашей новой двигательной системы работать в условиях атмосферного полёта. Для минимизации технических рисков мы решили, что сама ракета АСТРИД должна быть простой, по крайней мере, для первого полёта. Например, мы построили однокомпонентную ракету, используя уже проверенные узлы. Однокомпонентные системы проще и требуют меньшего количества деталей, чем двухкомпонентные (топливо плюс окислитель), использующие насосную подачу системы, достигающие высоких показателей. Для дальнейшего упрощения и удешевления мы выбрали ракету с аэродинамическими стабилизаторами и поддержанием устойчивости путём вращения, и не применяли систему активного управления полётом.    Мы полностью построили две ракеты. Сборка ракет и изготовление большинства узлов производились в Национальной Лаборатории Лоуренса в Ливерморе; другие части были куплены. Мы использовали первую ракету для 10- и 30-секундных статических огневых испытаний на земле в ноябре и декабре 1993 года. Вторая ракета АСТРИД - вместе с вновь разработанной технологией насосной подачи - была запущена с базы ВВС Ванденберг утром, 4 февраля 1994 года.    Как показано на рисунке 4, ракета для проверки технологии была длиной 1,9 м и имела диаметр 0,16 м. Сухая масса ракеты АСТРИД была 8,25 кг. Из этой массы лёгкие узлы двигательной установки весили меньше, чем 3 кг. Корпус ракеты был практически построен на основе лёгкого бака ёмкостью в 15,3 л, сделанного из алюминиевого сплава. Мы разработали бак с большим запасом по прочности к внутреннему давлению (порядка четырёхкратного запаса) и избежали 90% документации по безопасности при работе с высоким давлением, обычно требуемой для баков космических аппаратов. Перед полётом мы заправили бак 12,7 кг стандартного ракетного однокомпонентного топлива, гидразина высокой очистки (N2H4). Рис.4.    Бортовая аппаратура АСТРИД была размещена в носовом обтекателе, сделанном из оргстекла. Она состояла из датчиков вибрации, ускорения, скорости воздушного потока, давлений в системе; контроллера для демонстрации возможности двигательной системы "тяга по запросу"; а также шифратора и передатчика для передачи полётной информации.    Запуск и полёт    Вначале мы предлагали сделать АСТРИД ракетой с инерциальной системой управления. Однако, для уменьшения затрат и сложности, связанной с управляющей электроникой, мы решили целиком отказаться от системы активного управления. Это решение позволило нам сосредоточиться на нашей главной задаче: продемонстрировать двигательную технологию в условиях свободного полёта. В идущеё в то же время работе на Испытательном Полигоне в Неваде (Nevada Test Site) рассматривались инженерные вопросы, связанные с активным управлением небольшого маневренного перехватчика.    Мы запустили ракету, как показано на рис.5, практически в отсутствие ветра с направляющей длиной 18,3 м (60 футов), которая была установлена под углом 80 градусов к горизонтали. После того, как ракета ушла с направляющей, жёстко закреплённые стабилизаторы в задней части ракеты обеспечили аэродинамическую стабильность и вели ракету по траектории гравитационного поворота. Четыре стабилизатора были скошены для получения закручивающего момента - т.е. для закрутки ракеты сразу после схода с направляющей. Используя стабилизацию вращением, любые несимметричности в аэродинамике, тяге, структуре ракеты или распределении масс усредняются. Рис.4.    В течение полёта длительностью 1 минута наш двигатель позволил ракете АСТРИД подняться на высоту 2 км и почти достичь скорости звука (1 Мах, что примерно составляет 300 м/с), прежде чем упасть в Тихий океан примерно в 8 км в стороне. Испытание ясно показало способность нашей новой двигательной системы работать в атмосферном полёте. Рис.6.    Достигнутая скорость была ограничена тем, что АСТРИД была запущена с уровня моря. Ракета, летящая в наиболее плотной части атмосферы, подвергается значительному сопротивлению воздуха. Если бы запуск был произведён в верхних слоях атмосферы с самолёта, такого как РЭПТОР, АСТРИД бы разогнался до скорости в шесть раз выше (свыше 2 километров в секунду).    Результаты    Во время полёта АСТРИД было собрано большое количество данных, включая измерения осевого ускорения, величины тяги, вибраций, траектории, скорости, скорости воздуха и скорости вращения. Однако главной целью АСТРИД было продемонстрировать, как возвратно-поступательные ракетные насосы могут работать в полёте и провести два важных замера давления. Эти замеры показали, что во время работы двигателя насосы повышали давление топлива, подаваемого в двигатель, по сравнению с давлением в баках, как и ожидалось, в более чем 10 раз.    Очевидная проблема, относящаяся к использованию насосов - вибрация. Среди прочего, вибрация может отрицательно повлиять на работу чувствительных датчиков инерциального управления, которые могут быть использованы в будущих приложениях. Мы обнаружили, что вибрация как в направлении вдоль, так и в направлении поперёк оси ракеты АСТРИД не была особенно высокой во время старта, и величина пика вибрации уменьшилась во время свободного полёта.    После зажигания ракета была отпущена после небольшого времени удержания в течение 8,3 секунд. Подъём по направляющей занял 1,7 секунды, и время полёта с работающими двигателями после ухода с направляющей было 27,7 секунд. Данные с датчиков ускорения ясно показывают, что двигатели работали в течение 37,6 секунд.    Работа и отключение двигательной установки прошли, как ожидалось, без серьёзных проблем или неожиданностей во время полёта. Наш предварительный анализ данных показал, что величина тяги вначале была слегка больше, чем 440 Н, и была примерно 420 Н во время подъёма по направляющей и полёта. Эта тяга находилась в предсказанных пределах. Максимальная скорость вращения в 4,1 оборота в секунду также хорошо соответствует проектировавшейся скорости в 4,5 оборота в секунду.    Сотрудничество и дальнейшие планы    Испытательный полёт АСТРИД был настоящим совместным сотрудничеством, в котором участвовали более чем 40 техников Лаборатории, инженеров и учёных, и хорошо координируемая команда внешних сотрудников. Эта группа построила ракету, разработала системы сбора данных, провела испытания и проанализировала данные. Среди организаций, больше всего помогавших в разработке и испытаниях ракеты с насосной подачей, находятся: Компания Олин Аэроспейс (Olin Aerospace) (бывшая Компания Ракетных Исследований (Rocket Research Company)) Мууг, Инк. (Moog, Inc.) Компания Бол Аэроспейс (Ball Aerospace Company) Лаборатория Прикладной Физики Джонса Гопкинса (Jonhs Hopkins Applied Physics Laboratory (APL)) База ВВС Ванденберг (Vandenberg Air Force Base) Катто Эйркрафт Инк. (Catto Aircraft Inc.)    Мы предвидим ряд потенциальных применений миниатюрной двигательной системы, разработанной и успешно запущенной нами. Например, мы проработали более шести лет с компанией Олин Аэроспэйс (Olin Aerospace), инженеры которой разрабатывали двигатели для АСТРИД. Мы изучим возможность коммерциализации нашей технологии вместе с этой компанией и другими для возможного применения на КА и верхних ступенях ракетоносителя.    Наша двигательная система может быть использована на верхней ступени для ускорения спутника с низкой околоземной орбиты (на высоте нескольких сотен километров, где Спейс Шатл облетает Землю) до геосинхронной орбиты (на высоте около 35000 километров над Землёй, где спутник остаётся "неподвижным" над одним регионом). Оказавшись на орбите, система может использоваться для осуществления жёстких манёвров и коррекции орбиты.    Наша новая технология обеспечивает большие возможности движения на единицу массы оборудования двигательной системы в сравнении с любыми другими средствами, доступными сегодня для малых жидкостных систем. В частности, наша система с насосной подачей позволяет выполнять полёты на Луну и планеты гораздо экономичнее, чем в прошлом.    Миссия с выполнением мягкой посадки на Марс и извлечением скальной породы и проб почвы значительно выиграла бы от применения высокопроизводительной, лёгкой системы с возможностями "тяги по запросу". Возможность точного регулирования тяги, обеспеченная чуткими насосами, обеспечила бы управление посадкой спускаемого аппарата. Затем, после посадки и взятия проб, аппарату потребуется запуск для обратного полёта к Земле. Наша новая технология обеспечивает производительность ракетоносителя в малом масштабе.    На другом фронте, несколько осуществляемых оборонительных программ могут выиграть от нашей технологии, в частности те программы, которые требуют малых оборонительных ракет высокой манёвренности. Мы планируем исследовать эти и другие потенциальные возможности применения для этой новой технологии систем с насосной подачей. Рис.7.    Работа финансирована Организацией Стратегической Противоракетной Обороны Пентагона. ОСПО - преемник Организации СОИ.