X-33: Несостоявшийся проект одноступенчатой космической системы

Введение

Беспилотный многоразовый космический самолет-демонстратор технологии для VentureStar.

Неудачи при испытаниях под давлением его 21-метрового размаха крыльев и многолопастного топливного бака из композитных материалов в конечном итоге привели к прекращению федерального финансирования программы в начале 2001 года. Lockheed Martin проводила не связанные с этим испытания и добилась одного успеха после серии неудач, вплоть до 2009 года, используя модель в масштабе 2 метра.

Проектирование и разработка

Используя аэродинамическую схему подъемного корпуса, композитные многолопастные баки для жидкого топлива и двигатель «аэроспик», NASA и Lockheed Martin надеялись испытать летательный аппарат, который продемонстрировал бы возможность реализации концепции одноступенчатого вывода на орбиту (SSTO). Космический корабль, способный достичь орбиты за одну ступень, не нуждался бы во внешних топливных баках или ускорителях для выхода на низкую околоземную орбиту. Отказ от необходимости «ступенчатости» при запуске, как это реализовано в космическом шаттле и ракетах «Аполлон», привел бы к созданию по своей сути более надежной и безопасной ракеты-носителя. Хотя X-33 и не достиг бы уровня безопасности, присущего самолетам, он должен был продемонстрировать надежность 0,997, то есть 3 аварии на 1000 запусков, что на порядок превышает надежность космического шаттла. Планировалось, что 15 экспериментальных полетов X-33 позволят начать эту статистическую оценку. Беспилотный аппарат должен был стартовать вертикально со специально построенного комплекса на авиабазе Эдвардс и приземляться горизонтально (VTHL) на взлетно-посадочную полосу после завершения миссии. Первоначальные суборбитальные испытательные полеты планировались с авиабазы Эдвардс на полигон Дагуэй, расположенный к юго-западу от Солт-Лейк-Сити, штат Юта. После завершения этих полетов должны были быть проведены дополнительные летные испытания с авиабазы Эдвардс на авиабазу Малмстром в Грейт-Фолс, штат Монтана, для получения более полных данных о нагреве аппарата и работе двигателя на более высоких скоростях и высотах. 2 июля 1996 года NASA выбрало Lockheed Martin Skunk Works из Палмдейла, штат Калифорния, для проектирования, строительства и испытания экспериментального аппарата X-33 в рамках программы RLV. Концепция X-33, предложенная Lockheed Martin, была выбрана в конкуренции с проектами, представленными компаниями Rockwell International и McDonnell Douglas. Rockwell предложила конструкцию, основанную на космическом шаттле, а McDonnell Douglas – проект, базирующийся на их аппарате DC-XA с вертикальным взлетом и посадкой (VTVL). Беспилотный X-33 должен был совершить 15 суборбитальных полетов на высоту около 75,8 км. Запуск планировался вертикально, как у ракеты, и вместо прямой траектории полета аппарат должен был подниматься по диагонали в течение первой половины полета, достигая экстремальных высот, а затем планировать обратно на взлетно-посадочную полосу. X-33 не предназначался для полетов выше 100 км или со скоростью, превышающей половину орбитальной. В случае успешных испытаний потребовалась бы экстраполяция результатов для применения к предлагаемому орбитальному аппарату. В отличие от других исследований в области космического транспорта, программа «Доступ к космосу» должна была привести к проектированию и строительству реального аппарата.

Through the use of the lifting body shape, composite multi lobed liquid fuel tanks, and the aerospike engine, NASA and Lockheed Martin hoped to test fly a craft that would demonstrate the viability of a single stage to orbit (SSTO) design. A spacecraft capable of reaching orbit in a single stage would not require external fuel tanks or boosters to reach low Earth orbit. Doing away with the need for "staging" with launch vehicles, such as with the Shuttle and the Apollo rockets, would lead to an inherently more reliable and safer space launch vehicle. While the X 33 would not approach airplane like safety, the X 33 would attempt to demonstrate 0.997 reliability, or 3 mishaps out of 1,000 launches, which would be an order of magnitude more reliable than the Space Shuttle. The 15 planned experimental X 33 flights could only begin this statistical evaluation. The uncrewed craft would have been launched vertically from a specially designed facility constructed on Edwards Air Force Base, and landed horizontally (VTHL) on a runway at the end of its mission. Initial sub orbital test flights were planned from Edwards AFB to Dugway Proving Grounds southwest of Salt Lake City, Utah. Once those test flights were completed, further flight tests were to be conducted from Edwards AFB to Malmstrom AFB in Great Falls, Montana, to gather more complete data on aircraft heating and engine performance at higher speeds and altitudes. On July 2, 1996, NASA selected Lockheed Martin Skunk Works of Palmdale, California, to design, build, and test the X 33 experimental vehicle for the RLV program. Lockheed Martin's design concept for the X 33 was selected over competing concepts from Rockwell International and McDonnell Douglas. Rockwell proposed a Space Shuttle derived design, and McDonnell Douglas proposed a design based on its vertical takeoff and landing (VTVL) DC XA test vehicle. The uncrewed X 33 was slated to fly 15 suborbital hops to near 75.8 km altitude. It was to be launched upright like a rocket and rather than having a straight flight path it would fly diagonally up for half the flight, reaching extremely high altitudes, and then for the rest of the flight glide back down to a runway. The X 33 was never intended to fly higher than an altitude of 100 km, nor faster than one half of orbital velocity. Had any successful tests occurred, extrapolation would have been necessary to apply the results to a proposed orbital vehicle. Unlike other space transport studies, "Access to Space" was to result in the design and construction of a vehicle.

Коммерческие космические полеты

Основываясь на опыте, полученном в ходе проекта X-33 совместно с NASA, Lockheed Martin надеялся обосновать целесообразность создания полномасштабной одноступенчатой космической ракеты, возвращаемой на Землю (SSTO RLV), под названием VentureStar, разработку и эксплуатацию которой планировалось осуществлять на коммерческой основе. Предполагалось, что вместо эксплуатации космических транспортных систем, как это было с космическим шаттлом, NASA будет привлекать частную промышленность для эксплуатации многоразового ракетного аппарата и приобретать услуги по запуску у коммерческих поставщиков. Таким образом, X-33 был призван не только усовершенствовать технологии космических полетов, но и успешно продемонстрировать технологии, необходимые для реализации коммерческой многоразовой ракеты-носителя. VentureStar должен был стать первым коммерческим аппаратом, способным совершать полеты в космос. Изначально VentureStar планировался для выполнения дальних межконтинентальных перелетов и вводился в эксплуатацию к 2012 году, однако этот проект так и не был профинансирован и начат.

Продолжение исследований

После отмены проекта в 2001 году инженерам удалось создать рабочий резервуар для жидкого кислорода из углеволоконного композита. Испытания показали, что композитные материалы пригодны для изготовления резервуаров жидкого кислорода.

7 сентября 2004 года инженеры Northrop Grumman и NASA представили резервуар для жидкого водорода, изготовленный из углеволоконного композита, который продемонстрировал возможность многократной заправки и имитации циклов запуска. Northrop Grumman заключила, что эти успешные испытания позволили разработать и усовершенствовать новые производственные процессы, которые позволят компании строить большие композитные резервуары без использования автоклава, а также проводить проектирование и инженерную разработку конформных топливных баков, подходящих для использования на одноступенчатой орбитальной ракете.

Альтернативные предложения

Пять компаний проявили заинтересованность и представили концепции. Из этих пяти Lockheed Martin, Rockwell и McDonnell Douglas были отобраны для подготовки более детальных предложений.

Роквелл

Роквелл предложил конструкцию на базе космического шаттла. Она должна была использовать один главный двигатель космического челнока (SSME) и два двигателя RL-10 5A.