Қайта пайдаланатын бір сатылы орбиталық ракета прототипі: DC-X жобасы

Кіріспе

1991-1996 жылдар аралығында жасалған және сынақтан өткен, бір сатылы орбитаға шығатын ракета прототипі.

DC X, Delta Clipper немесе Delta Clipper Experimental дегеннің қысқартылған атауы, McDonnell Douglas компаниясы АҚШ Қорғаныс министрлігінің Стратегиялық қорғаныс бастамасы ұйымымен (SDIO) бірлесіп 1991-1993 жылдар аралығында құрастырған, қайта пайдалануға болатын бір сатылы орбиталық ұшыру құралының пилотсыз прототипі. 1994 жылдан 1995 жылға дейін сынақтар АҚШ-тың азаматтық ғарыш агенттігі NASA қаржысымен жалғасты. 1996 жылы DC X технологиясы толығымен NASA-ға берілді, ол DC XA құрастыру үшін конструкцияны жақсартты. 1996 жылы DC XA-ның сынақ ұшуы кезінде өрт шығып, жоба тоқтатылды. Жойылуға қарамастан, бұл бағдарлама кейінгі қайта пайдалануға болатын ұшыру жүйелеріне үлкен серпіліс берді. Майкл Д. Гриффин бұл бағдарламаны "мемлекеттік ғылыми-зерттеу және әзірлемелердің ең жақсы үлгісі" деп бағалаған.

Өмірбаян

Жазушы Джерри Пурнеллдің айтуынша: "DC X менің үйімде ойлап табылды және Ұлттық ғарыш кеңесінің төрағасы Дэн Куэйлге генерал Грэм, Макс Хантер және мен саттық". Дегенмен, Макс Хантердің сөзіне қарағанда, ол зейнеткерлікке шыққанға дейін бірнеше жыл бойы Lockheed Martin компаниясын осы идеяның құндылығына көндіруге тырысты. Хантер 1985 жылы "The Opportunity" деген мақала жазып, төмен құнмен алынған "жабдықталған" коммерциялық бөлшектер мен қолда бар технологияны пайдаланып салынған, бір сатылы орбитаға шығатын ғарыш кемесінің тұжырымдамасын сипаттады, бірақ Lockheed Martin мұндай бағдарламаны қаржыландыруға жеткілікті қызығушылық танытпады. 1989 жылдың 15 ақпанында Пурнелл, Грэм және Хантер вице-президент Дэн Куэйлмен кездесуге мүмкіндік алды. Олар SDIO-ға осы идеяны табысты "ұсынды", себебі кез келген ғарышқа орналасқан қару-жарақ жүйесін қызмет көрсету үшін ғарыш кемесінің ғарыш айлакерінен әлдеқайда сенімді, ұшыру құны арзан және айналым уақыты жылдам болуы керек еді. Дизайнның белгісіздігін ескере отырып, негізгі жоспар – қасақана қарапайым сынақ үлгісін жасау және толық қайта пайдалануға болатын жылдам айналымды ғарыш кемесімен тәжірибе жинақтау үшін "біршама ұшып, біршама бұзылу" болды. Көлік құралынан тәжірибе жинақталғаннан кейін, алдымен орбиталық емес және содан кейін орбиталық сынақтар үшін үлкен прототип құрастырылатын болады. Соңында осы прототиптерден коммерциялық қолдануға жарамды көлік құралы жасалмақ. Әдеттегі авиациялық терминологияға сәйкес, олар кішкентай прототипті DC X деп атауды ұсынды, мұнда X – АҚШ Әуе күштерінің "эксперименталдық" деген белгісі. Одан кейін "DC Y" келеді, Y – USAF-тың өндіріске дейінгі сынақ ұшақтары мен прототиптері үшін (мысалы, YF 16) белгісі. Соңында өндіріс үлгісі "DC 1" деп аталатын болады. "Delta Clipper" деген ат "DC" аббревиатурасын алу үшін таңдалды, бұл Douglas "DC Series" авиалайнерлерімен байланыс орнатуға мүмкіндік береді, бастапқысы Douglas DC 1. Көлік құралының дизайны McDonnell Douglas инженері Филип Бононың еңбектеріне негізделген, ол бір сатылы орбитаға шығатын VTOL көтерушілерін ғарыш саяхатының болашағы деп қарады. Delta Clipper 1967 жылғы Бононың SASSTO көлігіне өте ұқсас болды. Боно DC X-тің алғашқы сынақ ұшуынан үш ай бұрын қайтыс болды.

According to writer Jerry Pournelle: "DC X was conceived in my living room and sold to National Space Council Chairman Dan Quayle by General Graham, Max Hunter and me." According to Max Hunter, however, he had tried hard to convince Lockheed Martin of the concept's value for several years before he retired. Hunter had written a paper in 1985 entitled "The Opportunity", detailing the concept of a Single Stage To Orbit spacecraft built with low cost "off the shelf" commercial parts and then available technology, but Lockheed Martin was not interested enough to fund such a program themselves. On February 15, 1989, Pournelle, Graham and Hunter were able to procure a meeting with Vice President Dan Quayle. They successfully "sold" the idea to SDIO by noting that any space based weapons system would need to be serviced by a spacecraft that was far more reliable than the Space Shuttle, and offer lower launch costs and have much better turnaround times. Given the uncertainties of the design, the basic plan was to produce a deliberately simple test vehicle and to "fly a little, break a little" in order to gain experience with fully reusable quick turnaround spacecraft. As experience was gained with the vehicle, a larger prototype would be built first for sub orbital and then orbital tests. Finally a commercially acceptable vehicle would be developed from these prototypes. In keeping with general aircraft terminology, they proposed the small prototype should be called the DC X, X being the US Air Force designation for "experimental". This would be followed by the "DC Y", with Y being the USAF designation for pre production test aircraft and prototypes (e. g. YF 16). Finally the production version would be known as the "DC 1". The name "Delta Clipper" was chosen to result in the acronym "DC" to draw a connection with the Douglas "DC Series" of airliners, beginning with the Douglas DC 1. The vehicle is inspired by the designs of McDonnell Douglas engineer Philip Bono, who saw single stage to orbit VTOL lifters as the future of space travel. The Delta Clipper was very similar to Bono's SASSTO vehicle from 1967. Bono died less than three months before the DC X's first test flight.

SDIO талаптары

SDIO "суборбитальды, қайта пайдаланылатын зымыранды (SRR) 1,5 миллион фут (457 км) биіктікке дейін 3000 фунтқа (1361 кг) дейін жүк көтере алатын, ұшыру алаңына дәл және жұмсақ қонуға қабілетті, содан соң үш-жеті күн ішінде келесі миссияға ұшыруға дайын болуын қалады".

Дизайн

DC X бір үшінші өлшемдегі прототип ретінде салынды, орбиталық биіктікке немесе жылдамдыққа жету емес, тік ұшып-қону тұжырымдамасын көрсету мақсатында жасалған. Тік ұшып-қону тұжырымдамасы 1950 жылдардағы ғылыми фантастика фильмдерінде кең таралды (Rocketship X M, Destination Moon және т.б.), бірақ ғарыш кемелерінің нақты жобаларында қолданылмады. Ол стандартты ракета сияқты тікке ұшып, мұрынын жоғары көтеріп тік қонуға тиіс болды. Бұл конструкция төмендеуді басқару үшін бағытталғыш қозғалтқыштар мен ретро-ракеталарды пайдаланды, бұл аппараттың мұрынымен атмосфераға енуіне, содан кейін айналып, қону тіректеріне қонуына мүмкіндік берді. Кеме қону орнында қайта жанармай құюға және дәл сол жерден қайта ұшуға қабілетті болды, бұл бұрын-соңды болмаған жылдамдықпен айналым жасауға мүмкіндік берді. Теориялық тұрғыдан алғанда, базадан кіру профилін жасау оңайырақ болар еді. Кеменің базасы қозғалтқыштан шығатын газдарға төтеп беру үшін қандай да бір деңгейде жылудан қорғауға мұқтаж болды, сондықтан қосымша қорғаныс қосу оңай болар еді. Ең маңыздысы, кеменің базасы мұрынан әлдеқайда үлкен болғандықтан, жылу жүктемесі үлкен аумаққа таралып, төмен температураға қол жеткізуге мүмкіндік берді. Бұл профиль ғарыш кемесінің қону үшін "кері бұрылуын" қажет етпейді. Дегенмен, әскери мақсатта бұл мүмкін емес еді. Кез келген ғарыш кемесі үшін қауіпсіздіктің маңызды шарты – "бір айналымнан кейін қайтару", яғни бір орбитадан кейін қонуға оралу қабілеті. Типикалық төмен Жер орбитасы 90-120 минутқа созылады, сондықтан Жер сол уақытта шамамен 20-30 градусқа шығысқа қарай бұрылады; немесе АҚШ-тың оңтүстігінен ұшырылса, 1500 мильге (2414 км) жуық. Егер ғарыш кемесі шығысқа ұшырылса, бұл қиындық тудырмайды, бірақ әскери ғарыш кемелеріне қажетті полярлық орбиталар үшін, орбита аяқталғанда ғарыш кемесі ұшыру аламанынан батысқа қарай ұшып өтеді. Ұшыру аламанына қайта оралу үшін кеме айтарлықтай көлденең қимылға қабілетті болуы керек, бұл үлкен тегіс бетке орнатуды қиындатады. Сондықтан Delta Clipper конструкциясында фюзеляждағы жалпақ қабырғалары бар мұрынды бірінші кіру және қажетті көлденең қимыл қабілетін қамтамасыз ету үшін үлкен басқару жапсырмалары қолданылды. Мұндай кіру профилін басқару бойынша тәжірибелер бұрын жүргізілмеген, және жобаның басты назарында болды. DC X жобасының тағы бір маңызды міндеті – техникалық қызмет көрсетуді және жердегі қолдауды азайту болды. Осы мақсатта, аппарат жоғары деңгейде автоматтандырылды және басқару орталығында үш адам ғана қажет болды (екісі ұшу операциялары үшін, ал біреуі жердегі қолдау үшін).

Built as a one third size scale prototype, the DC X was never designed to achieve orbital altitudes or velocity, but instead to demonstrate the concept of vertical take off and landing. The vertical take off and landing concept was popular in science fiction films from the 1950s (Rocketship X M, Destination Moon, and others), but not seen in real world designs of space vehicles. It would take off vertically like standard rockets, but also land vertically with the nose up. This design used attitude control thrusters and retro rockets to control the descent, allowing the craft to begin atmospheric entry nose first, but then roll around and touch down on landing struts at its base. The craft could be refueled where it landed, and take off again from exactly the same position — a trait that allowed unprecedented turnaround times. In theory a base first re entry profile would be easier to arrange. The base of the craft would already need some level of heat protection to survive the engine exhaust, so adding more protection would be easy enough. More importantly, the base of the craft is much larger than the nose area, leading to lower peak temperatures as the heat load is spread out over a larger area. Finally, this profile would not require the spacecraft to "flip around" for landing. The military role made this infeasible, however. One desired safety requirement for any spacecraft is the ability to "abort once around", that is, to return for a landing after a single orbit. Since a typical low Earth orbit takes about 90 to 120 minutes, the Earth will rotate to the east about 20 to 30 degrees in that time; or for a launch from the southern United States, about 1500 mile (2414 km). If the spacecraft is launched to the east this does not present a problem, but for the polar orbits required of military spacecraft, when the orbit is complete the spacecraft overflies a point far to the west of the launch site. In order to land back at the launch site, the craft needs to have considerable cross range maneuverability, something that is difficult to arrange with a large smooth surface. The Delta Clipper design thus used a nose first re entry with flat sides on the fuselage and large control flaps to provide the needed cross range capability. Experiments with the control of such a re entry profile had never been tried, and were a major focus of the project. Another focus of the DC X project was minimized maintenance and ground support. To this end, the craft was highly automated and required only three people in its control center (two for flight operations and one for ground support).

Ұшу сынақтары

DC X құрылысы 1991 жылы McDonnell Douglas компаниясының Хантингтон-Бич зауытында басталды. Аэрокорпус Scaled Composites компаниясымен арнайы жасалды, бірақ ғарыш кемесінің көп бөлігі, қозғалтқыштар мен ұшуды басқару жүйелері сияқты, тікелей өндірістен алынған коммерциялық бөлшектерден құралды. DC X алғаш рет 1993 жылдың 18 тамызында 59 секундқа ұшты; 11 қыркүйекте және 30 қыркүйекте тағы екі рейс жасады, одан кейін SDIO бағдарламасының тоқтатылуы салдарынан қаржыландыру тоқтады; сонымен қатар, сыншылар бұл бағдарламаны қиялданушылық деп есептеді. Apollo астронавты Пит Конрад кейбір ұшуларды жерден басқарды. Бұл сынақтар Нью-Мексико штатындағы Уайт-Сэндс зымыран полигонында жүргізілді. Дегенмен, NASA және Advanced Research Projects Agency (ARPA) тарапынан қосымша қаржыландыру қарастырылды. Басқару жүйесі де жақсартылды. Жаңартылған аппарат DC XA деп аталды, кейін Clipper Advanced/Clipper Graham деп қайта аталды және 1996 жылы қайта ұшуды бастады, нәтижесінде аппаратқа ауыр зақым келді, оны жөндеу тиімсіз болды. Апаттан кейінгі есепте NASA-ның Бренд комиссиясы апатты қаржыландырудың үзілісіне және жою қаупіне ұшыраған, шаршаған техникалық құрамға байланысты деп айыптады. Экипаждың көп бөлігі, бұрын SDIO бағдарламасынан келгендер, NASA-ның бағдарламаға жасаған "салқындату" әсеріне және сынақ процесінің бөлігі ретінде NASA талап еткен көптеген құжаттарға де қарсы болды. NASA бұл жобаны SDIO басшылығымен көпшілікке танымал болған табысынан кейін теріс қабылдады. Оның жалғасқан табысы NASA ішінде үлкен саяси тартысқа себеп болды, өйткені ол олардың "өз үйінде дамытқан" Lockheed Martin X 33/VentureStar жобасымен бәсекелесті. Пит Конрад жаңа DC X-тің құнын 50 миллион долларға бағалады, бұл NASA стандарттары бойынша арзан болды, бірақ NASA бюджеттік шектеулерге байланысты аппаратты қайта құруға шешім қабылдамады.

Бағдарламаның құны

DC X-тің түпнұсқасы 21 айда 60 миллион долларға салынған. Бұл бүгінгі шақта шамамен $ құрайды.

Мұра

DC X жобасымен жұмыс істеген бірнеше инженер Blue Origin компаниясына қабылданып, олардың New Shepard аппараты DC X дизайнынан шабыттанды. DC X Армадилло Аэрокосмикалықтың көптеген элементтеріне ойша қадам берді. Кейбір NASA инженерлері DC X экипажды Марсқа қондыру үшін шешім бола алатынын айтты. Егер Жердің гравитациялық құдығында SSTO ретінде жұмыс істейтін DC типіндегі аппарат жасалғанда, тіпті минималды 4-6 адамдық экипажға арналса да, оның түрлері Марс және Айға жасалатын миссиялар үшін өте тиімді болуы мүмкін. Мұндай түрдің негізгі жұмыс принципі "кері" болуы керек: алдымен ұшып көтеріліп, содан кейін қонудың орнына, бірінші қонып, сосын ұшып көтерілу. Бірақ егер мұны Жерде іске асыру мүмкін болса, Марста да, Айда да болатын әлсіз гравитация, әсіресе соңғы нүктеде, жүк көлемін едәуір арттыруға мүмкіндік береді. Кейбір мамандар ұсынған өзгерістерге DC X пайдаланған сұйық сутегі мен сұйық оттегіге қарағанда аз жерде қолдау қажет болатын тотықтырғыш/отын қоспасын пайдалану және қону кезінде және одан кейін тұрақтылықты арттыру үшін бесінші тіреу қосу кіреді.