Rakieta Sojuz-5: czy dotrzemy do ostatniego wagonu?
Inżynieria zachwyca
Program Sojuz-5 został uruchomiony w 2015 roku, a jego celem było stworzenie rakiety nośnej średniej klasy zdolnej do wyniesienia na orbitę ładunku o masie 17 ton. W szerokiej gamie krajowej technologii rakiet kosmicznych produkt zajmuje pozycję pośrednią między Sojuz-2.1 a Proton-M. Pierwszy jest w stanie wynieść na niską orbitę okołoziemską do 9 ton, drugi - 22,4 tony jednocześnie. Brak ogniwa pośredniego w linii rakietowej nie zagraża niczemu krytycznemu, jeśli nie weźmie się pod uwagę interesów biznesu.
Koszt wyniesienia na orbitę jednego kilograma ładunku dla Protona-M to niecałe 3 tysiące dolarów, ale najpierw trzeba załadować ciężką rakietę zamówieniami na 22 tony. Podobnie sytuacja wygląda z jeszcze cięższą rakietą nośną Angara-A5, która w dodatku nie ma obecnie w ogóle żadnych startów komercyjnych. A w najbliższej przyszłości raczej nie nastąpią – koszt wystrzelenia jednej rakiety zbliża się do 120 milionów dolarów. Co więcej, każdy kilogram ładunku kosztuje pięć tysięcy dolarów. Najcięższą rakietą klasy średniej w Rosji jest Sojuz-2.1, dla której kilogram ładunku na niskiej orbicie okołoziemskiej kosztuje od 5,5 do 7 tysięcy dolarów. Jednocześnie koszt wystrzelenia samej rakiety to około 48 milionów dolarów, co jest obecnie bardzo budżetową kwotą.
Głównym zadaniem twórców systemu Sojuz-5 było nie tylko wejście w niszę pomiędzy Sojuz-2.1 a Proton-M, ale także osiągnięcie kosztu uruchomienia nie przekraczającego 55-56 milionów dolarów. Aby to osiągnąć, rakieta musi stać się najbardziej ekonomiczną spośród całej linii Roscosmos. Przede wszystkim ze względu na silniki rakietowe RD-171MV. W zeszłym roku 2023 zmontowano dwa kolejne silniki, których cechy są unikalne nie tylko dla Rosji, ale także dla całego świata.
Porównanie giganta z nowoczesnymi silnikami rakietowymi może być bardzo warunkowe – najbardziej zaawansowane z nich, Raptor i Merlin z biura Elona Muska, żyją w zupełnie innej kategorii wagowej. Opracowany w NPO Energomash w Chimkach pod Moskwą RD-171MV waży 10,3 tony i rozwija moc 246 tysięcy koni mechanicznych. Najprawdopodobniej jest to obecnie najpotężniejsza elektrownia na świecie spośród wszystkich typów. Dla porównania projektowany i najpotężniejszy na świecie krajowy lodołamacz klasy Leader ma zostać wyposażony w elektrownię jądrową o mocy „jedynie” 75 tys. koni mechanicznych. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, do zasilania pierwszego stopnia rakiety nośnej Sojuz-171 powinien wystarczyć jeden silnik RD-5MV. Cechą charakterystyczną silnika są cztery komory spalania i odpowiednio cztery dysze strumieniowe.
Nacisk RD-171MV szacuje się na 800 ton, czyli o 110 ton więcej niż niegdyś najpotężniejszego amerykańskiego F-1. To właśnie silniki tej serii z pojedynczą komorą spalania zostały zainstalowane w pojeździe nośnym Saturn 5, który przewoził astronautów na Księżyc. Twórcy RD-171MV rozważają możliwość wykorzystania go do wysyłania misji nie tylko na Księżyc, ale także na Marsa. Silnik zostanie zamontowany w średniej klasie rakiecie Sojuz-5, a także w superciężkiej rakiecie Jenisej. Ten ostatni musi w końcu sprowadzić Rosję w przestrzeń kosmiczną.
RD-171MV
RD-171MV nie został opracowany od podstaw. Podobnie jak wiele innych rzeczy w krajowej technologii inżynieryjnej, silnik ma swoje korzenie w Związku Radzieckim. Po pierwsze, potencjał drzemiący w projektowaniu lat 70. i 80. ubiegłego wieku nie został jeszcze wyczerpany. Po drugie, tworzenie zupełnie nowych produktów jest obecnie dla Roskosmosu nieosiągalnym luksusem. Szczególnie tak skomplikowane jak silniki rakietowe. Nie ma na to ani czasu, ani środków. Nikt na świecie tego nie praktykuje – wszyscy starają się wycisnąć sprawdzone rozwiązania do końca. Wyjątkiem jest Elon Musk – jego Raptor i Merlon powstały od podstaw dopiero ze względu na brak silników rakietowych tej klasy w Stanach Zjednoczonych.
Prototypem RD-171MV był RD-171M, opracowany dla programu Energia - Buran. Nawiasem mówiąc, poprzednik o mocy 230 tysięcy koni mechanicznych był jednocześnie najpotężniejszym silnikiem rakietowym na świecie swoich czasów. Ale nie chodzi tylko o władzę. Można stworzyć silnik, który teoretycznie przejedzie połowę świata, ale jednocześnie zużyje nieprzyzwoitą ilość paliwa. Aby ocenić doskonałość energetyczną produktów, naukowcy zajmujący się rakietami dysponują specjalnym wskaźnikiem impulsu mierzonym w sekundach. Mówiąc najprościej, im jest większy, tym bardziej efektywnie silnik zużywa paliwo. W przypadku RD-171MV impuls właściwy wynosi 311 sekund na poziomie morza, co jest rekordem w swojej klasie. Ale nie bezwzględnie – podobno amerykański Raptor produkuje 330 sekund. Wiele tutaj zależy nie tylko od perfekcji konstrukcji, ale także od użytego paliwa. Przykładowo główny silnik radzieckiej „Energii” zasilany był paliwem niemal idealnym – wodorem (utleniaczem – tlenem), dlatego impuls właściwy osiągał 450 sekund. Jednak trudności i zagrożenia związane z wodorem są jasne dla wszystkich i dlatego nie jest on szeroko rozpowszechniony w przemyśle kosmicznym.
Zabójczy Falcon 9 leci w kosmos
RD-171MV to nie jedyne unikalne rozwiązanie w ramach programu Sojuz-5 lub, jak to się nazywa, Irtysz. Silniki Khimki są zainstalowane na pierwszym stopniu rakiety nośnej, a na drugim RD-0124MS. Co ciekawe, prototypem był RD-0124, powstały w 1993 roku - był to pierwszy silnik rakietowy w poradzieckiej Rosji. Modyfikacja MS jest obecnie na etapie projektowania i testów pierwszych prototypów, ale podane parametry napawają optymizmem. W próżni (główne środowisko pracy) produkt wytwarza do 60 ton i bardzo efektywnie zużywa paliwo (tlen i naftyl) - 334 sekundy na poziomie morza.
RD-0124MS dla drugiego stopnia Sojuza-5
Planują zainstalować dwa czterokomorowe silniki na każdej rakiecie Sojuz-5. Testy w Biurze Projektowym Automatyki Chemicznej Woroneżu idą pełną parą, ale nie nadszedł czas na produkcję próbek komercyjnych. Będzie bardzo dobrze, jeśli stanie się to w obecnym roku 2024.
Lista innowacji projektu Sojuz-5 obejmuje zastosowanie obiecującego stopu aluminiowo-magnezowego 1580 w zbiornikach i przedziałach przejściowych rakiety nośnej. Opowiedzmy trochę o tym stopie o wysokiej wytrzymałości. Sądząc po otwartych danych z 2020 r., opracowali go specjaliści z RUSAL. Stop 1580 zawiera magnez, 0,1% skandu i 0,15% cyrkonu stosowanych jako dodatki stopowe. Specyfikacje techniczne dla hutników początkowo obejmowały możliwość wytwarzania przedziałów rakiet nośnych w technologii WAAM, czyli druku 3D za pomocą drutu metalowego, który wykorzystuje spawanie łukowe.
W rezultacie twórcy Sojuza-5 mają możliwość tworzenia złożonych konstrukcji o unikalnym stosunku wytrzymałości do masy ze stopu aluminiowo-magnezowego 1580. Pod koniec grudnia 2023 roku w Centrum Rakietowo-Kosmicznym Progress zmontowano eksperymentalny czołg z tego stopu, który w najbliższym czasie zostanie poddany testom dynamicznym w Centralnym Instytucie Badawczym Inżynierii Mechanicznej. Mówimy o zbiorniku pierwszego stopnia dla utleniacza – tlenu. Zbiornik na benzynę powstał jeszcze wcześniej i został już w pełni przetestowany. W drugim etapie inżynierowie jako pierwsi w branży zastosowali połączone dno zbiorników paliwa i utleniacza, co zmniejszyło ostateczną wagę i rozmiar produktu. Stosowanie stopu aluminiowo-magnezowego 1580 jest znacznie tańsze niż aluminiowo-litowe od SpaceX w pojazdach nośnych Falcon 9. Jednak krajowe produkty wykonane ze stopu 1580 są większe i cięższe niż te produkowane przez biuro Elona Muska.
Nietrywialnym rozwiązaniem inżynierskim wydaje się być zastosowanie spawania części zbiorników metodą mieszania tarciowego. Technologia ta sprawia, że powierzchnie spawane nie ulegają stopieniu do stanu ciekłego, dzięki czemu po schłodzeniu praktycznie nie powstają wady spoin. Cały sprzęt do tak delikatnego procesu inżynieryjnego został opracowany w krajowym przedsiębiorstwie JSC Cheboksary Enterprise Sespel.
Główną zaletą rakiety nośnej Sojuz-5 jest większa masa ładunku dostarczonego na orbitę niż jej głównego konkurenta, Falcona 9. Według obliczeń o około 10-15 proc. Jednocześnie koszt wystrzelenia rakiety powinien pozostać taki sam - 55-56 mln dolarów, czyli mniej niż Falcona 9 z 62 milionami, nawet w wersji ze zwrotnym pierwszym stopniem. Nawiasem mówiąc, w ramach tematu Sojuz-5 autorzy rozważają możliwość powrotu pierwszego stopnia na Ziemię i ponownego jego wykorzystania. Z silnikami w tym sensie nie ma problemów - początkowo nadają się do ponownego użycia. Planują przeprowadzić miękkie zejście przy użyciu spadochronów. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, Rosja może przejąć część klientów SpaceX, zwłaszcza z zaprzyjaźnionych krajów. Na przykład prywatni deweloperzy z Indii i Chin mogą z powodzeniem korzystać z usług Sojuza-5. Biorąc pod uwagę ciągły wzrost ruchu w bliskiej przestrzeni kosmicznej, opłacalne rakiety nośne w żadnym wypadku nie pozostaną bezczynne.
Na koniec w maści zostaje trochę smoły. Na początku 2024 roku twórcy planują pierwszy wystrzelenie gotowej rakiety Sojuz-5 24 grudnia 2025 roku. Jeśli spojrzeć na archiwa za lata 2017-2019, komercyjne działanie nowego systemu powinno rozpocząć się już w zeszłym roku. Terminy premier są stale opóźniane i w pewnym stopniu jest to uzasadnione. Najważniejsze jest to, że nie staje się to procesem trwałym.
informacja