W kosmosie na meteorokiecie: projekty ultramałych kosmicznych pojazdów nośnych
Podbój kosmosu stał się jednym z najważniejszych i epokowych osiągnięć ludzkości. Stworzenie pojazdów nośnych i infrastruktury do ich startu wymagało ogromnych wysiłków czołowych krajów świata. W naszych czasach pojawiła się tendencja do tworzenia w pełni wielokrotnego użytku pojazdów nośnych, zdolnych do wykonywania dziesiątek lotów w kosmos. Ich rozwój i funkcjonowanie nadal wymaga ogromnych zasobów, które mogą alokować jedynie państwa lub duże korporacje (znów przy wsparciu państwa).
Radziecka rakieta R-7, która 4 października 1957 roku po raz pierwszy wystrzeliła na orbitę ziemską sztucznego satelitę, oraz koncepcja amerykańskiej superciężkiej rakiety BFR, która potencjalnie może stać się najbardziej zaawansowaną, w pełni wielokrotnego użytku. pojazd dostępny dla ludzkości
Na początku XXI wieku udoskonalenie i miniaturyzacja elementów elektronicznych umożliwiła stworzenie satelitów o niewielkich rozmiarach (tzw. „mikrosatelity” i „nanosatelity”), których masa mieści się w zakresie 1-100 kg. Ostatnio mówimy o „picosatelitach” (o wadze od 100 g do 1 kg) oraz „femtosatelitach” (o wadze poniżej 100 g). Takie satelity mogą być wystrzeliwane jako ładunek drobnicowy od różnych klientów lub jako ładunek boczny do „dużego” statku kosmicznego (SC). Ta metoda startu nie zawsze jest wygodna, ponieważ producenci nanosatelitów (w przyszłości będziemy używać tego oznaczenia dla wszystkich rozmiarów ultramałych statków kosmicznych) muszą dostosować się do harmonogramu klientów na start głównego ładunku, a także dlatego, że różnic w orbitach startowych.
Doprowadziło to do pojawienia się zapotrzebowania na ultramałe pojazdy nośne zdolne do wystrzelenia statków kosmicznych o masie około 1-100 kg.
DARPA i KB MiG
Powstało i jest opracowywanych wiele projektów ultralekkich pojazdów nośnych - startujących na ziemi, w powietrzu i na morzu. W szczególności problem szybkiego startu ultra-małych statków kosmicznych był aktywnie badany przez amerykańską agencję DARPA. W szczególności można przywołać projekt ALASA, wystrzelony w 2012 roku, w ramach którego planowano stworzyć małą rakietę przeznaczoną do wystrzelenia z myśliwca F-15E i umieścić satelity o masie do 45 kg na niską orbitę odniesienia ( LEW).
Projekt ALASA
Zainstalowane na rakiecie LRE miały być napędzane monopaliwem NA-7, w tym monopropylenem, podtlenkiem azotu i acetylenem. Koszt uruchomienia nie miał przekroczyć 1 miliona dolarów. Przypuszczalnie to problemy z paliwem, w szczególności z jego samozapłonem i tendencją do wybuchów, położyły kres temu projektowi.
Podobny projekt powstawał w Rosji. W 1997 roku biuro projektowe MiG wraz z KazKosmosem (Kazachstan) rozpoczęło opracowywanie systemu wystrzeliwania ładunku (PN) na orbitę za pomocą przerobionego myśliwca przechwytującego MiG-31I (Ishim). Projekt został opracowany na podstawie prac przygotowawczych do stworzenia antysatelitarnej modyfikacji MiG-31D.
Trzystopniowa rakieta, wystrzelona na wysokość około 17 000 metrów i prędkość 3000 km/h, miała zapewnić wystrzelenie na orbitę ładunku o wadze 300 kg na wysokości 160 kilometrów, o wadze 600 kg. na orbitę na wysokości 120 kilometrów.
Koncepcja MiG-31I
Trudna sytuacja finansowa w Rosji pod koniec lat 90. i na początku 2000 r. nie pozwoliła na realizację tego projektu w metalu, chociaż nie wyklucza się pojawienia się przeszkód technicznych w procesie rozwoju.
Było wiele innych projektów ultralekkich pojazdów nośnych. Ich cechą wyróżniającą można uznać opracowywanie projektów przez agencje rządowe lub duże (praktycznie „państwowe”) korporacje. Platforma startowa często musiała być złożonymi i drogimi platformami, takimi jak myśliwce, bombowce lub ciężkie samoloty transportowe.
Wszystko to razem skomplikowało rozwój i zwiększyło koszty kompleksów, a teraz przywództwo w tworzeniu ultralekkich pojazdów nośnych przeszło w ręce prywatnych firm.
Laboratorium rakietowe
Za jeden z najbardziej udanych i najbardziej znanych projektów ultralekkich rakiet można uznać rakietę nośną Elektron amerykańsko-nowozelandzkiej firmy Rocket Lab. Ta dwustopniowa rakieta o masie 12550 kg jest w stanie wystrzelić 250 kg PL lub 150 kg PL na LEO na orbitę synchroniczną ze słońcem (SSO) o wysokości 500 kilometrów. Firma planuje wystrzelić do 130 pocisków rocznie.
RN Electron i Peter Beck - dyrektor generalny Rocket Lab
Konstrukcja rakiety wykonana jest z włókna węglowego, silniki odrzutowe na paliwo ciekłe (LRE) są używane na parze paliwowej nafta + tlen. Aby uprościć i obniżyć koszty konstrukcji, jako źródło prądu zastosowano akumulatory litowo-polimerowe, pneumatyczne układy sterowania oraz system wypierania paliwa ze zbiorników pracujących na sprężonym helu. W produkcji silników rakietowych i innych elementów rakietowych aktywnie wykorzystywane są technologie dodatków.
Wymiary rakiety Elektron w porównaniu z wymiarami rakiet Sojuz-2.1a, Ariane-5, Falcon 9 i Falcon HAVI
Można zauważyć, że pierwszą rakietą Rocket Lab była rakieta meteorologiczna Cosmos-1 („Atea-1” w języku Maorysów), zdolna unieść 2 kg ładunku na wysokość około 120 kilometrów.
Rakieta meteorologiczna Atea-1 z Rocket Lab
Linia przemysłowa
Rosyjski „analog” Rocket Lab można nazwać firmą Lin Industrial, która opracowuje projekty zarówno najprostszej rakiety suborbitalnej zdolnej do wzniesienia się na wysokość 100 km, jak i pojazdów startowych przeznaczonych do wystrzeliwania ładunków do LEO i SSO.
Chociaż rynek rakiet suborbitalnych (głównie rakiet meteorologicznych i geofizycznych) jest zdominowany przez rozwiązania z silnikami na paliwo stałe, Lin Industrial buduje swoją rakietę suborbitalną w oparciu o silnik rakietowy zasilany naftą i nadtlenkiem wodoru. Najprawdopodobniej wynika to z faktu, że główny kierunek rozwoju Lin Industrial upatruje w komercyjnym wystrzeliwaniu rakiety na orbitę, a rakieta suborbitalna na paliwo ciekłe jest najprawdopodobniej przeznaczona do testowania rozwiązań technicznych.
Suborbitalna firma rakietowa "Lin Industrial"
Głównym projektem firmy „Lin Industrial” jest ultralekki pojazd nośny „Taimyr”. Początkowo projekt przewidywał układ modułowy z szeregowo-równoległym układem modułów, co umożliwia stworzenie pojazdu startowego z możliwością wystrzelenia do LEO ładunku o masie od 10 do 180 kg. Zmiana minimalnej masy wyjściowej PN miała być zapewniona poprzez zmianę liczby uniwersalnych bloków rakietowych (URB) - URB-1, URB-2 i URB-3 oraz bloku rakietowego trzeciego stopnia RB-2.
Możliwości wdrożenia rakiety modułowej Taimyr
- "Taimyr-1A" - trzystopniowy pojazd startowy. Pierwszy stopień to URB-1 z dziewięcioma silnikami rakietowymi, drugi stopień to URB-2 z jednym silnikiem rakietowym o ciągu ~400 kgf, trzeci stopień to URB-3. Masa startowa - 2,6 tony, długość - 16 m, masa ładunku na niskiej orbicie okołoziemskiej - 12 kg.
- "Taimyr-1" - trzystopniowy pojazd startowy. Pierwszy stopień to URB-1 z jednym LRE o ciągu ~4 tf, drugi stopień to URB-2 z LRE o ciągu ~400 kgf, trzeci stopień to URB-3. Masa startowa - 2,6 tony, długość - 16 m, masa ładunku na niskiej orbicie okołoziemskiej - 14 kg.
- "Taimyr-5" - trzystopniowy pojazd startowy. Pierwszy stopień to 4 URB-1 z jednym ciągiem LRE ~ 4 tf, drugi etap to jeden URB-1 z ciągiem LRE ~ 4 tf, trzeci stopień to URB-2 z ciągiem LRE ~ 100 kgf. Masa startowa - 11,2 tony, długość - 16 m, masa ładunku na niskiej orbicie okołoziemskiej - 108 kg.
- "Taimyr-7" - trzystopniowy pojazd startowy. Pierwszy etap to 6 URB-1 z jednym ciągiem LRE ~4 tf, drugi etap to jeden URB-1 z jednym ciągiem LRE ~4 tf, trzeci etap to URB-2 z ciągiem LRE ~100 kgf. Masa startowa - 15,6 tony, długość - 16 m, masa ładunku na niskiej orbicie okołoziemskiej - do 180 kg, na orbicie synchronicznej - 85 kg.
Silniki rakiety Taimyr muszą być zasilane naftą i stężonym nadtlenkiem wodoru, a zasilanie paliwem musi odbywać się poprzez wypieranie sprężonym helem. Projekt ma szeroko wykorzystywać materiały kompozytowe, w tym włókno węglowe oraz komponenty wykonane metodą druku 3D.
Następnie firma Lin Industrial zrezygnowała ze schematu modułowego – rakieta stała się dwustopniową, z sekwencyjnym układem stopni, w wyniku czego wygląd rakiety Taimyr zaczął przypominać wygląd rakiety Elektron firmy Rocket Lab. Ponadto system wyporu sprężonego helu został zastąpiony zasilaniem paliwem za pomocą zasilanych bateryjnie pomp elektrycznych.
Ewolucja projektu ultralekkiego pojazdu nośnego „Taimyr” firmy „Lin Industrial”
Pierwsze uruchomienie rakiety Taimyr planowane jest na 2023 rok.
IHI Przemysł lotniczy
Jednym z najciekawszych ultralekkich pojazdów nośnych jest japońska trzystopniowa rakieta na paliwo stałe SS-520 produkowana przez IHI Aerospace, stworzona na bazie rakiety geofizycznej S-520 poprzez dodanie trzeciego stopnia i odpowiednie udoskonalenie systemy płytowe. Wysokość rakiety SS-520 wynosi 9,54 metra, średnica 0,54 metra, masa startowa 2600 kg. Masa ładunku do LEO wynosi około 4 kg.
Uruchom pojazd nośny SS-520-4
Korpus pierwszego stopnia wykonany jest ze stali o wysokiej wytrzymałości, drugi stopień wykonany jest z kompozytu z włókna węglowego, owiewka głowicy wykonana jest z włókna szklanego. Wszystkie trzy stopnie są paliwem stałym. System sterowania wyrzutnią SS-520 jest okresowo włączany w momencie rozdzielenia pierwszego i drugiego stopnia, a przez resztę czasu rakieta jest stabilizowana przez obrót.
3 lutego 2018 r. pojazd nośny SS-520-4 z powodzeniem wystrzelił 1-kilogramowy satelita TRICOM-3R, zaprojektowany w celu zademonstrowania możliwości tworzenia statku kosmicznego z komponentów elektroniki użytkowej. W momencie wprowadzenia na rynek rakieta SS-520-4 była to najmniejsza rakieta nośna na świecie, która została wpisana do Księgi Rekordów Guinnessa.
Pociski rodziny SS-520
Tworzenie ultramałych rakiet nośnych opartych na meteorologicznych i geofizycznych rakietach na paliwo stałe może być całkiem obiecującym kierunkiem. Takie pociski są łatwe w utrzymaniu i mogą być przechowywane przez długi czas w stanie zapewniającym ich przygotowanie do startu w możliwie najkrótszym czasie.
Koszt silnika rakietowego na paliwo ciekłe może wynosić około 50% kosztu rakiety i jest mało prawdopodobne, że będzie można osiągnąć wartość mniejszą niż 30%, nawet biorąc pod uwagę zastosowanie technologii addytywnych. Pojazdy nośne na paliwo stałe nie używają utleniacza kriogenicznego, co wymaga specjalnych warunków przechowywania i uzupełniania paliwa bezpośrednio przed startem. Jednocześnie do produkcji stałych ładunków miotających opracowywane są również technologie addytywne, które umożliwiają „drukowanie” ładunków paliwowych o wymaganej konfiguracji.
Kompaktowe wymiary ultralekkich pojazdów nośnych ułatwiają ich transport i pozwalają na start z różnych punktów planety w celu uzyskania wymaganego nachylenia orbity. Ultralekkie pojazdy nośne wymagają znacznie prostszej platformy startowej niż „duże” pociski, co pozwala na ich mobilność.
Czy w Rosji są projekty podobnych rakiet i na jakiej podstawie można je realizować?
ZSRR wyprodukował znaczną liczbę rakiet meteorologicznych - MP-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MP-12, MP-20 i rakiety geofizyczne - R-1A, R-1B, R-1V, R-1E, R-1D, R-2A, R-11A, R-5A, R-5B, R-5V, "Vertical", K65UP, MR -12, MP-20, MN-300, 1Ya2TA. Projekty wielu z nich opierały się na wojskowych opracowaniach rakiet balistycznych lub pocisków przeciwrakietowych. W latach aktywnej eksploracji górnej atmosfery liczba startów sięgała 600-700 rakiet rocznie.
Rakiety geofizyczne ZSRR
Po rozpadzie ZSRR liczba wystrzeliwanych i rodzajów pocisków została drastycznie zmniejszona. W tej chwili Roshydromet korzysta z dwóch kompleksów - MP-30 z pociskiem MN-300 opracowanym przez Federalną Państwową Instytucję Budżetową NPO Typhoon / OKB Novator oraz pociskiem meteorologicznym MERA opracowanym przez JSC KBP.
MP-30 (MN-300)
Pocisk kompleksu MP-30 zapewnia podnoszenie 50-150 kg sprzętu naukowego na wysokość do 300 kilometrów. Długość rakiety MN-300 wynosi 8012 mm przy średnicy 445 mm, masa startowa to 1558 kg. Koszt jednego startu rakiety MN-300 szacowany jest na 55-60 milionów rubli.
Model rakiety i wyrzutni kompleksu MP-30, a także wystrzelenie rakiety MN-300
Na bazie rakiety MN-300 rozważana jest możliwość stworzenia ultra-małego pojazdu nośnego IR-300 poprzez dodanie drugiego stopnia i górnego stopnia (a właściwie trzeciego stopnia). Oznacza to, że w rzeczywistości proponuje się powtórzyć dość udane doświadczenie we wdrażaniu japońskiego ultralekkiego pojazdu nośnego SS-520.
Jednocześnie niektórzy eksperci są zdania, że skoro maksymalna prędkość rakiety MN-300 wynosi około 2000 m/s, to w celu uzyskania pierwszej prędkości kosmicznej rzędu 8000 m/s, koniecznej jest postawienie rakiety nośnej na orbitę, może być wymagane zbyt poważne przetwarzanie oryginalnego projektu, co zasadniczo oznacza rozwój nowego produktu, co może prowadzić do wzrostu kosztów wyniesienia na orbitę prawie o rząd wielkości i uczynić go nieopłacalnym w porównaniu z konkurencją.
MIERZYĆ
Rakieta meteorologiczna MERA jest przeznaczona do podnoszenia ładunku o wadze 2-3 kg na wysokość 110 kilometrów. Masa rakiety MERA to 67 kg.
Wyrzutnia i start rakiety meteorologicznej MERA
Ładunek rakiety pogodowej MERA
Na pierwszy rzut oka rakieta meteorologiczna MERA absolutnie nie nadaje się do wykorzystania jako podstawa do stworzenia ultralekkiej rakiety nośnej, ale jednocześnie istnieją pewne niuanse, które pozwalają zakwestionować ten punkt widzenia.
Meteorock MERA jest dwustopniową rakietą dwukaliberową i tylko pierwszy stopień pełni funkcję przyspieszenia, drugi leci bezwładnością po rozdzieleniu, co czyni ten kompleks związany z przeciwlotniczymi pociskami kierowanymi (SAM) Tunguska i Pantsir. - samolotowe systemy rakietowe i armatnie (ZRPK). Właściwie na bazie pocisków do systemów obrony przeciwlotniczej tych kompleksów powstała rakieta meteorologiczna MERA.
Pierwszy stopień to kompozytowa skrzynia z umieszczonym w niej stałym ładunkiem miotającym. W 2,5 sekundy pierwszy stopień rozpędza meteoryt do prędkości 5M (prędkość dźwięku), czyli około 1500 m/s. Średnica pierwszego stopnia wynosi 170 mm.
Rakieta meteorologiczna MERA
Wyprodukowany przez nawijanie materiału kompozytowego, pierwszy stopień rakiety meteorologicznej MERA jest niezwykle lekki (w porównaniu do konstrukcji stalowych i aluminiowych o podobnych wymiarach) – jej waga to zaledwie 55 kg. Również jego koszt powinien być znacznie niższy niż rozwiązań wykonanych z włókna węglowego.
Na tej podstawie można założyć, że na bazie pierwszego etapu rakiety meteorologicznej MERA można opracować zunifikowany moduł rakietowy (URM), przeznaczony do wsadowego formowania etapów ultralekkich pojazdów nośnych.
W rzeczywistości będą dwa takie moduły, będą się różnić dyszą silnika rakietowego, odpowiednio zoptymalizowaną do pracy w atmosferze lub w próżni. Obecnie maksymalna średnica łusek produkowanych przez KBP JSC metodą nawijania to przypuszczalnie 220 mm. Możliwe, że technicznie możliwe jest wykonanie kadłubów kompozytowych o większej średnicy i długości.
Z drugiej strony niewykluczone, że najlepszym rozwiązaniem będzie produkcja kadłubów, których wielkość będzie ujednolicona z wszelką amunicją dla systemu rakietowego obrony przeciwlotniczej Pantsir, kierowanych pocisków kompleksu Hermes czy pocisków meteorologicznych MERA, które będą obniżyć koszt pojedynczego produktu poprzez zwiększenie liczby wydań seryjnych tego samego produktu.
Stopnie wyrzutni muszą być zmontowane z URM, zamocowane równolegle, natomiast separacja stopni zostanie przeprowadzona poprzecznie - nie zapewniono podłużnej separacji URM na scenie. Można założyć, że stopnie takiej rakiety nośnej będą miały dużą masę pasożytniczą w porównaniu z korpusem monoblokowym o większej średnicy. Po części jest to prawda, jednak niewielka masa obudowy wykonanej z materiałów kompozytowych pozwala w dużym stopniu zniwelować tę wadę. Może się okazać, że obudowa o dużej średnicy wykonana w podobnej technologii będzie znacznie trudniejsza i kosztowniejsza w wykonaniu, a jej ścianki będą musiały być znacznie grubsze niż te z URM połączonych w pakiet, aby zapewnić niezbędną sztywność struktury, dzięki czemu ostatecznie masa rozwiązań monoblokowych i pakietowych będzie porównywalna, przy niższym koszcie tych ostatnich. I z dużym prawdopodobieństwem stalowa lub aluminiowa obudowa monoblokowa będzie cięższa niż zapakowana obudowa kompozytowa.
Koncepcja ultralekkiej rakiety nośnej MERA-K opartej na KRM, wykonana na bazie pierwszego stopnia rakiety meteorologicznej MERA (zdjęcie wykonane na podstawie modułowej rakiety nośnej Taimyr firmy Lin Industrial)
Połączenie równoległe RRM można wykonać za pomocą płaskich frezowanych elementów kompozytowych znajdujących się w górnej i dolnej części stopnia (w miejscach zwężeń korpusu RRM). W razie potrzeby można dodatkowo zastosować jastrychy wykonane z materiałów kompozytowych. Aby obniżyć koszty projektowania, technologiczne i tanie materiały przemysłowe, należy w jak największym stopniu stosować kleje o wysokiej wytrzymałości.
Podobnie, stopnie rakiety nośnej mogą być połączone kompozytowymi elementami rurowymi lub elementami wzmacniającymi, a konstrukcja może być nierozłączna, gdy stopnie są rozdzielone, elementy nośne mogą być zniszczone przez ładunki pirotechniczne w kontrolowany sposób. Ponadto, w celu zwiększenia niezawodności, ładunki pirotechniczne mogą być umieszczane w kilku kolejno rozmieszczonych punktach konstrukcji nośnej i inicjowane zarówno zapłonem elektrycznym, jak i zapłonem bezpośrednim od płomienia silników wyższego stopnia, gdy są one włączone (do odpalania dolnego etap, jeśli zapłon elektryczny nie działał).
Wzmocnienie z kompozytu budowlanego z włókna szklanego ma wysoką wytrzymałość, niską wagę i wysoką odporność na korozję. Niewykluczone, że z powodzeniem znajdzie zastosowanie w produkcji elementów nośnych ultralekkiej rakiety nośnej.
Sterowanie LV może być realizowane w taki sam sposób, jak w japońskim ultralekkim wózku nośnym SS-520. Można również rozważyć możliwość zainstalowania systemu sterowania radiowego dowodzenia, podobnego do tego, który jest instalowany w systemie rakietowym obrony przeciwlotniczej Pantsir, w celu dostosowania lotu rakiety nośnej przynajmniej na części toru lotu (i ewentualnie na wszystkich etapach lotu). lot). Potencjalnie zmniejszy to ilość drogiego sprzętu na pokładzie jednorazowej rakiety, przenosząc ją do pojazdu kontrolnego „wielokrotnego użytku”.
Można założyć, że biorąc pod uwagę konstrukcję nośną, elementy łączące i system sterowania, finalny produkt będzie w stanie wystrzelić ładunek o wadze od kilku do kilkudziesięciu kilogramów (w zależności od ilości zunifikowanych modułów rakietowych etapami) do LEO i konkurować z japońskim ultralekkim pojazdem nośnym SS-520 i innymi podobnymi ultralekkimi pojazdami nośnymi opracowanymi przez firmy rosyjskie i zagraniczne.
Dla powodzenia komercjalizacji projektu szacunkowy koszt wystrzelenia ultralekkiego pojazdu nośnego MERA-K nie powinien przekroczyć 3,5 mln USD (jest to koszt wystrzelenia wozu nośnego SS-520).
Oprócz zastosowań komercyjnych, rakieta nośna MERA-K może być wykorzystywana do awaryjnego startu wojskowych statków kosmicznych, których rozmiar i waga również będą się stopniowo zmniejszać.
Również osiągnięcia uzyskane w trakcie realizacji projektu rakiety MERA-K mogą być wykorzystane do tworzenia zaawansowanej broni, na przykład kompleksu hipersonicznego z konwencjonalną głowicą w postaci kompaktowego szybowca, który zrzucany jest po uniesieniu rakiety nośnej na szczyt trajektorii.
informacja