DC-X: Экспериментальная ракета одноступенчатого доступа на орбиту.

Введение

DC X, сокращение от Delta Clipper или Delta Clipper Experimental, был беспилотным прототипом одноступенчатой ракеты для вывода на орбиту, разработанной и испытанной в период с 1991 по 1996 год.

DC X был построен компанией McDonnell Douglas совместно с Организацией стратегической оборонной инициативы Министерства обороны США (SDIO) с 1991 по 1993 год. С 1994 по 1995 год испытания продолжались за счет финансирования NASA, гражданского космического агентства США. В 1996 году технология DC X была полностью передана NASA, которая модернизировала конструкцию для повышения эффективности и создала DC XA. После испытательного полета DC XA в 1996 году, завершившегося пожаром, проект был закрыт. Несмотря на отмену, программа послужила вдохновением для последующих многоразовых ракет-носителей. Майкл Д. Гриффин впоследствии назвал эту программу "образцом государственных научно-исследовательских работ".

Предыстория

По словам писателя Джерри Пурнелла: "DC X был задуман в моей гостиной и продан председателю Национального космического совета Дэну Куэйлу генералом Грэмом, Максом Хантером и мной". Однако, по словам Макса Хантера, он на протяжении нескольких лет упорно пытался убедить Lockheed Martin в ценности этой концепции, прежде чем вышел на пенсию. В 1985 году Хантер написал работу под названием "Возможность", в которой подробно описывалась концепция одноступенчатого космического корабля (Single Stage To Orbit), построенного из недорогих, серийных коммерческих компонентов и доступных на тот момент технологий, но Lockheed Martin не проявила достаточного интереса, чтобы финансировать такую программу. 15 февраля 1989 года Пурнеллу, Грэму и Хантеру удалось организовать встречу с вице-президентом Дэном Куэйлом. Они успешно "продали" эту идею SDIO, указав на то, что любое космическое оружие потребует обслуживания от космического аппарата, который был бы значительно надежнее космического челнока, обеспечивал бы более низкую стоимость запуска и более быстрое время подготовки к повторному использованию. Учитывая неопределенность конструкции, основным планом было создание намеренно простого тестового образца и принцип "немного полетаем, немного поломаем", чтобы получить опыт работы с полностью многоразовым аппаратом с быстрой подготовкой к повторному использованию. По мере накопления опыта с аппаратом, сначала для суборбитальных, а затем для орбитальных испытаний, планировалось построить более крупный прототип. В конечном итоге, на основе этих прототипов должна была быть разработана коммерчески жизнеспособная модель. В соответствии с общепринятой авиационной терминологией, они предложили назвать небольшой прототип DC X, где "X" – обозначение ВВС США для "экспериментального". За ним должен был последовать "DC Y", где "Y" – обозначение ВВС США для предсерийных испытательных самолетов и прототипов (например, YF 16). Наконец, серийная версия должна была называться "DC 1". Название "Delta Clipper" было выбрано для получения аббревиатуры "DC", чтобы установить связь с серией авиалайнеров Douglas "DC Series", начиная с Douglas DC 1. Аппарат был вдохновлен разработками инженера McDonnell Douglas Филиппа Боно, который видел в одноступенчатых ракетах вертикального взлета и посадки (VTOL) будущее космических путешествий. Delta Clipper был очень похож на аппарат SASSTO Боно 1967 года. Боно умер менее чем за три месяца до первого испытательного полета DC X.

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.

Требование SDIO

SDIO потребовалась "суборбитальная, возвращаемая ракета (SRR), способная выводить до 3000 фунтов (1361 кг) полезной нагрузки на высоту 1,5 миллиона футов (457 км); возвращаться на место старта для точной мягкой посадки; и быть готовой к повторному запуску в течение трех-семи дней".

Дизайн

Построенный в виде прототипа в масштабе 1/3, DC X никогда не предназначался для достижения орбитальных высот или скорости, а был разработан для демонстрации концепции вертикального взлета и посадки. Концепция вертикального взлета и посадки была популярна в научно-фантастических фильмах 1950-х годов (Rocketship X M, Destination Moon и другие), но не применялась в реальных конструкциях космических аппаратов. Он должен был взлетать вертикально, как обычные ракеты, и также приземляться вертикально носом вверх. В этой конструкции использовались двигатели управления ориентацией и тормозные ракеты для управления спуском, что позволяло начать вход в атмосферу носом вперед, а затем перевернуться и коснуться посадочных опор у основания. Аппарат можно было заправлять на месте посадки и снова взлетать с той же позиции — особенность, обеспечивавшая беспрецедентно быстрое время подготовки к повторному использованию. Теоретически, профиль ревхода основанием вперед было бы проще реализовать. Основание аппарата уже нуждалось в определенной степени тепловой защиты для выдерживания выхлопа двигателя, поэтому добавление дополнительной защиты не представляло бы сложности. Более того, основание аппарата значительно больше носовой части, что приводит к снижению пиковых температур за счет распределения тепловой нагрузки по большей площади. Наконец, этот профиль не требовал бы "переворота" аппарата для посадки. Однако военное применение сделало это невозможным. Одним из важных требований безопасности для любого космического аппарата является возможность "один виток и аварийное возвращение", то есть возможность вернуться на посадку после одного оборота вокруг Земли. Поскольку типичная низкая околоземная орбита занимает около 90–120 минут, Земля за это время поворачивается на восток примерно на 20–30 градусов; или, для запуска с юга Соединенных Штатов, примерно на 1500 миль (2414 км). Если аппарат запускается на восток, это не представляет проблемы, но для полярных орбит, необходимых для военных космических аппаратов, после завершения орбиты аппарат пролетает над точкой, расположенной далеко к западу от стартовой площадки. Чтобы приземлиться обратно на стартовую площадку, аппарату необходима значительная маневренность по крену, что сложно обеспечить при большой гладкой поверхности. Поэтому в конструкции Delta Clipper использовался ревход носом вперед с плоскими боковинами фюзеляжа и большими управляющими поверхностями для обеспечения необходимой возможности маневрирования по крену. Эксперименты по управлению таким профилем ревхода ранее не проводились и являлись одной из основных задач проекта. Еще одним направлением проекта DC X было минимизация технического обслуживания и наземного обеспечения. С этой целью аппарат был высоко автоматизирован и требовал всего трех человек в центре управления (двое для управления полетом и один для наземной поддержки).

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).

Летные испытания

Строительство DC X началось в 1991 году на предприятии McDonnell Douglas в Хантингтон-Бич. Аэрооболочка была изготовлена на заказ компанией Scaled Composites, но большая часть космического аппарата была построена из коммерческих комплектующих, включая двигатели и системы управления полетом. DC X совершил первый полет продолжительностью 59 секунд 18 августа 1993 года; затем последовали еще два полета 11 сентября и 30 сентября, после чего финансирование прекратилось как побочный эффект завершения программы SDIO; кроме того, программа вызывала скептицизм у критиков. Астронавт программы «Аполлон» Пит Конрад осуществлял управление полетами с земли. Эти испытания проводились на ракетном полигоне Уайт-Сэндс в Нью-Мексико. Однако NASA и Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA) предоставили дополнительное финансирование. Система управления также была усовершенствована. Модернизированный аппарат получил название DC XA, затем был переименован в Clipper Advanced/Clipper Graham и возобновил полеты в 1996 году, получив настолько серьезные повреждения, что восстановление оказалось нецелесообразным. В отчете о происшествии Комиссия по расследованию NASA имени Брэнда возложила вину за аварию на измотанную полевую команду, работавшую в условиях нестабильного финансирования и постоянных угроз отмены проекта. Члены команды, многие из которых ранее работали в программе SDIO, также критиковали «сдерживающее» влияние NASA на программу и огромное количество документации, которое NASA требовало в рамках процедуры испытаний. NASA неохотно взялось за проект после того, как его очевидный успех под руководством SDIO заставил агентство оправдываться. Продолжающийся успех проекта стал причиной серьезной политической борьбы внутри NASA, поскольку он конкурировал с их собственным проектом Lockheed Martin X-33/VentureStar. Пит Конрад оценил стоимость нового DC X в 50 миллионов долларов, что было недорого по меркам NASA, но NASA решило не восстанавливать аппарат из-за бюджетных ограничений.

Стоимость программы

Оригинальный DC X был построен за 21 месяц стоимостью 60 миллионов долларов. Это соответствует $ в сегодняшних ценах.

Наследие

Несколько инженеров, работавших над DC X, были приняты на работу в Blue Origin, а их аппарат New Shepard был вдохновлён конструкцией DC X. DC X послужил источником вдохновения для многих элементов в разработках Armadillo Aerospace.

Некоторые инженеры NASA отметили, что DC X мог бы стать решением для пилотируемого марсианского посадочного модуля. Если бы был разработан аппарат типа DC, работающий как одноступенчатая орбитальная система (SSTO) в земном гравитационном поле, даже с минимальной вместимостью экипажа в 4–6 человек, его модификации могли бы оказаться чрезвычайно эффективными как для марсианских, так и для лунных миссий. Основной принцип работы такой модификации должен быть обратным: сначала посадка, а затем взлёт, вместо взлёта с последующей посадкой. Однако, если это удастся реализовать на Земле, более слабая гравитация на Марсе и Луне значительно увеличит возможности по доставке полезной нагрузки, особенно на Луне. Среди предлагаемых изменений в конструкции – использование окислительно-топливной смеси, не требующей столь обширной наземной инфраструктуры, как жидкий водород и жидкий кислород, используемые в DC X, а также добавление пятой опоры для повышения устойчивости во время и после посадки.