Przestrzeń na otwartej przestrzeni
Państwo potrzebuje nie jednej super potężnej rakiety nośnej, ale floty SV
Jak wiadomo, głównym dokumentem określającym interesy państwa, główne cele, priorytety i zadania Rosji w zakresie eksploracji, eksploracji i wykorzystania przestrzeni kosmicznej są Podstawy Polityki Państwowej Federacji Rosyjskiej w tej dziedzinie działań kosmicznych do roku 2013 i później”.
Zgodnie z tym dokumentem do głównych priorytetów należy zapewnienie gwarantowanego dostępu Rosji do przestrzeni kosmicznej z jej terytorium wraz z rozwojem i wykorzystaniem technologii kosmicznych, technologii, robót i usług w interesie sfery społeczno-gospodarczej i obrony narodowej, a także jako bezpieczeństwo państwa; tworzenie obiektów kosmicznych w interesie nauki; działania związane z realizacją lotów załogowych, w tym tworzenie rezerwy naukowo-technicznej do realizacji lotów załogowych na planety i inne ciała Układu Słonecznego w ramach współpracy międzynarodowej.
Realizacja tych celów jest zapewniona poprzez wykorzystanie i rozwój istniejącego potencjału naukowego, technicznego i produkcyjnego do tworzenia zaawansowanych rakiet nośnych, holowników międzyorbitalnych, systemów celowania i obsługi automatycznych statków kosmicznych (SC), załogowych statków kosmicznych nowej generacji, elementów infrastruktury dla działania w przestrzeni kosmicznej i przełomowe technologie w celu rozwiązania docelowych problemów i technologii produkcyjnych.
Rezultatem będzie zachowanie statusu Rosji jako jednej z wiodących potęg kosmicznych, potwierdzenie samowystarczalności w zapewnieniu własnej działalności kosmicznej w całym spektrum zadań, które wymagają stworzenia orbitalnej konstelacji statków kosmicznych opartej na efektywnej ekonomicznie flocie rosyjskich pojazdów nośnych (SV).
Konieczność utrzymania stabilnej pozycji i konkurencyjności na rynku usług startowych jest zachętą do poprawy wskaźników technicznych i ekonomicznych SW, przede wszystkim do zwiększenia ich możliwości energetycznych.
Wszystkie te czynniki najwyraźniej uwidocznił się na przykładzie najbardziej udanego ekonomicznie produktu rosyjskiej kosmonautyki – ciężkiej rakiety nośnej Proton. Dopiero wejście rakiety Proton na międzynarodowy rynek usług startowych i jej ciągła modernizacja pozwoliła GKNPT im. M. V. Chrunichev, aby przetrwać w latach 90. i „zero” i utrzymać współpracę przemysłową, zapewniając utrzymanie rosyjskiej konstelacji orbitalnej statków kosmicznych i udział w międzynarodowych projektach.
Ładunek na wadze konkurencji
Aby określić, które SV mają zostać opracowane w FKP-2025, należy zrozumieć, że możliwości energetyczne rakiety nośnej są określone przez masę ładunku wystrzelonego na orbitę roboczą. Często, choć nie do końca poprawne, przy ocenie energii rakiety nośnej wykorzystuje się niską orbitę Ziemi o wysokości 200 kilometrów i nachyleniu równym szerokości geograficznej punktu startowego. Do funkcjonowania statku kosmicznego ta orbita nie jest wykorzystywana jako działająca, ponieważ ze względu na spowolnienie atmosfery czas istnienia statku kosmicznego na nim nie przekracza tygodnia. Wśród różnorodnych statków kosmicznych najdroższym i najbardziej zasobożernym rynkiem są statki kosmiczne telekomunikacyjne działające na orbicie geostacjonarnej.
Komercyjne starty statków kosmicznych telekomunikacyjnych charakteryzują się dwiema cechami. Masa komercyjnych statków kosmicznych rośnie szybciej niż te wystrzeliwane w ramach programów federalnych. Ale jak widać na wykresie, nawet masa komercyjnych statków kosmicznych jest daleka od nieograniczonych, a ich start nie wymaga superciężkiego pojazdu startowego (samochodu startowego STK) typu SLS.
Istnieją również różnice w schemacie balistycznym startów komercyjnych. Tak się złożyło, że zagraniczne statki kosmiczne, w przeciwieństwie do krajowych, nie są natychmiast wystrzeliwane na orbitę geostacjonarną, ale na pośrednią „standardową orbitę geotransferową” o wysokim apogeum. Statek kosmiczny, który oddzielił się od znajdującej się na nim rakiety nośnej, po około pięciogodzinnej przerwie balistycznej w apogeum orbity, wykorzystuje własny system napędowy do wypracowywania impulsu, który zapewnia powstanie orbity geostacjonarnej. Biorąc pod uwagę zużycie paliwa, masa ładunku wystrzelonego na pośrednią orbitę geotransferową powinna być około 1,6 razy większa niż na orbicie roboczej, czyli geostacjonarnej.
Wróćmy jednak do Protona – właśnie potrzeba utrzymania konkurencyjności na rynku usług startowych stała się powodem przeprowadzenia czterech etapów jego modernizacji kosztem środków z komercyjnych startów rakiety Proton – z oryginalnej wersji Protona -K do Proton-M i opracowanie dla rakiety Proton nowego górnego stopnia (RB) Briz-M, co umożliwiło zwiększenie masy ładunku wystrzeliwanego na orbitę geostacjonarną z 2,6 do 3,5 tony i na geotransfer orbita od 4,5 do 6,3, XNUMX tony. Ale bez względu na to, jak dobry jest lotniskowiec Proton, jego starty nie są wykonywane z terytorium Rosji. Są też problemy z zaopatrzeniem w paliwo dla Protonu, wysoce toksycznego heptylu używanego w pociskach bojowych i zaliczanego do substancji pierwszej, najwyższej klasy zagrożenia.
Kierownictwo kraju postawiło branży zadanie zapewnienia gwarantowanego dostępu do przestrzeni kosmicznej z jej terytorium - starty statków kosmicznych powinny być realizowane przez rakiety zaprojektowane i wyprodukowane w Rosji. Ponadto konieczna jest poprawa bezpieczeństwa ekologicznego startów poprzez eliminację stosowania toksycznego paliwa.
Te zadania powinien rozwiązać program budowy rakiety nośnej klasy ciężkiej Angara, która zapewni gwarantowane wystrzelenie na orbitę geostacjonarną statków kosmicznych i meteorologicznych telekomunikacyjnych i meteorologicznych, zapewniając obronę i bezpieczeństwo państwa.
Niestety rakieta Angara powstawała dość długo. Dekret rządu Federacji Rosyjskiej w sprawie opracowania projektu kompleksu rakiet kosmicznych klasy ciężkiej (SRC) został przyjęty na podstawie wyników konkursu, który odbył się 22 lata przed pierwszym wystrzeleniem rakiety nośnej. Realne finansowanie programu rozpoczęło się po 2005 roku. Umożliwiło to przeprowadzenie dwóch udanych startów testowych w 2014 roku oraz zaplanowanie startów pojazdów nośnych o docelowej ładowności od 2016 roku. Po wystrzeleniu z kosmodromu Plesetsk, możliwości energetyczne pojazdu nośnego Angara-A5 z kriogenicznym RB KVTK zapewnią wystrzelenie ładunku ważącego 4,5 tony na orbitę geostacjonarną i 7,5 tony na standardową orbitę geotransferową (przy użyciu Breeze- M RB - odpowiednio 2,9 i 5,4 tony).
Podczas rozmieszczania sondy Angara na kosmodromie Wostocznyj, możliwości energetyczne rakiety nośnej Angara-A5 z tlenowo-wodorowym RB KVTK zapewnią wystrzelenie ładunku o masie do pięciu ton na orbitę geostacjonarną i do ośmiu ton na geotransfer orbita. Ta rezerwa energii wystarczy w najbliższej przyszłości do wystrzelenia statku kosmicznego w ramach programów federalnych, ale nie pozwala konkurować o uruchomienie statku kosmicznego z wyższej półki cenowej z nowymi zagranicznymi ciężkimi pojazdami nośnymi o zwiększonej ładowności - Delta-IVH, Ariane-5ECA i Atlas-5. W szczególności rakieta nośna Atlas-5 z serii 500 wystrzeliwuje do 8,7 ton na orbitę geotransferową, a najpotężniejsza wyrzutnia używana do wystrzelenia statku kosmicznego Departamentu Obrony USA (Delta-IVH) zapewnia wystrzelenie ładunku o masie do 13,1 ton na orbitę geotransferową, XNUMX tona.
Po kompleksowej analizie priorytetów i wymagań dotyczących możliwości energetycznych SW, a także stanu rynku usług kosmicznych, NTS Roskosmosu ustaliło, że w celu rozwiązania problemów w kosmosie, w tym wystrzelenia obiecujących statków kosmicznych o masie co najmniej siedem ton na orbitę geostacjonarną i 12 ton na orbitę geoprzejściową, będzie to wymagane Pojazd nośny zdolny do dostarczenia co najmniej 35 ton ładunku na niską orbitę okołoziemską.
Taka rakieta nośna Angara-A5V może zostać stworzona poprzez zastąpienie trzeciego stopnia tlenowo-naftowego rakiety nośnej Angara-A5 nowo opracowanym stopniem tlenowo-wodorowym. Pojazd nośny Angara-A5V jest maksymalnie zunifikowany z stworzoną rakietą nośną Angara-A5, także pod względem naziemnych obiektów infrastruktury kosmicznej. Pod względem możliwości energetycznych pojazd nośny Angara-A5V będzie odpowiadał obecnie rozwijanym zagranicznym pojazdom nośnym o zwiększonej ładowności, takim jak Ariane-6 (Europa), Vulcan (USA), CZ-5 (Chiny) i H-3 (Japonia). ) i zapewni w krótkim okresie konkurencyjność rosyjskich pojazdów klasy ciężkiej na światowym rynku usług kosmicznych.
Nasze ciężkie pojazdy nośne Proton-M i Angara-A5 z silnikami rakietowymi na paliwo ciekłe (LRE) odpowiadają zagranicznym pojazdom nośnym zarówno pod względem stosunku ciągu do masy, jak i masy ładunku umieszczonego na określonych orbitach.
Z gazem lub bez gazu
Obecnie flota krajowych pojazdów SV składa się z lekkiej rakiety Rokot, średniej klasy Sojuz z rakietą Fregat oraz ciężkiej rakiety Proton z rakietami DM i Breeze-M.
W niedalekiej przyszłości pojazdy nośne „heptyl” Rokot i Proton zastąpią przyjazne środowisku pojazdy nośne z rodziny Angara. Jednocześnie planowane jest ulepszenie technologii i obniżenie kosztów seryjnych pojazdów nośnych Angara-A5. Planowane są również prace nad zastąpieniem „heptylowego” RB „Fregat” małym RB „ML” na komponentach przyjaznych dla środowiska. Planowana jest również wymiana Sojuz LV, weterana krajowej technologii rakietowej, na obiecującą średniej klasy LV, stworzoną w ramach prac rozwojowych Phoenix. W trakcie jego rozwoju planowane jest wdrożenie obiecujących technologii zapewniających wzrost właściwości operacyjnych, w tym wykorzystanie skroplonego gazu ziemnego (LNG) jako paliwa rakietowego.
Przestrzeń na otwartej przestrzeni
Dlaczego LNG jest interesujące? Główną zaletą jest zasadnicza możliwość obniżenia kosztów układu napędowego (PS) rakiety nośnej dzięki radykalnemu spadkowi ciśnienia roboczego w komorze spalania silnika (z 250–260 do 160–170 atmosfer) przy niewielkim (≈4%) wzrost impulsu właściwego pustki. Wzrost tego ostatniego parametru umożliwia utrzymanie osiągniętego poziomu charakterystyki energetyczno-masowej stopni nośnych, mimo o połowę mniejszej gęstości LNG niż nafty. Cechą silników rakietowych na paliwo ciekłe zasilanych LNG jest możliwość opracowania silnika o schemacie odzyskiwania, który jest mniej podatny na przejściowy rozwój sytuacji wybuchowych w sytuacjach awaryjnych. Ogólnie rzecz biorąc, wstępne studia wykonalności wskazują, że można oczekiwać około 1,5-krotnego obniżenia kosztów PS na LNG w porównaniu do PS opartego na istniejących wysokociśnieniowych silnikach rakietowych na paliwo ciekłe nafty, co zwiększy konkurencyjność krajowych pojazdów nośnych.
Oceniając doświadczenia w tworzeniu superciężkiej rakiety nośnej należy zauważyć, że Energia-Buran to niewątpliwie apogeum rodzimej technologii rakietowej, wybitny program pod względem organizacji, koncentracji zasobów, osiągnięć w rozwoju nowych konstrukcji i ciepłownictwa. - materiały osłonowe, opanowanie technologii tworzenia potężnych silników naftowych i wodorowych, produkcja i transport dużych ilości ciekłego wodoru, aerodynamika naddźwiękowa itp. Cały kraj pracował na to, ale państwo nie miało środków, sił i celów, aby rozmieścić ten system kosmiczny na orbicie. Jednocześnie przez ponad 10 lat prac nad stworzeniem kompleksu Energia-Buran wydatkowano ponad jedną trzecią środków przeznaczonych na działania kosmiczne, co wpłynęło na efektywność realizacji pozostałych jego obszarów.
W tym okresie Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) opracowała i zaczęła przeprowadzać starty średniej klasy rakiety nośnej Ariane-4. Dzięki tej rakiecie firma Arianspace zajęła ponad połowę rynku komercyjnych startów na orbitę geotransferową i zarobiwszy pieniądze, stworzyła ciężki pojazd nośny klasy Ariane-5, który nadal zapewnia realizację programów kosmicznych ESA i posiada ponad 40 proc. globalny rynek usług startowych.
Gazeta „VPK” (nr 27) napisała: „…Pentagon powinien odczuwać głęboką satysfakcję, obserwując, jak Rosja coraz bardziej oddala się od tworzenia nowoczesnych superciężkich pojazdów nośnych”, ale szacuje pokazują, że wszystkie zadania wojskowe w dającej się przewidzieć przyszłości Pentagon zdecyduje się na użycie ciężkich rakiet nośnych Delta IVH i Atlas-5, a nie rakiety nośnej SLS przeznaczonej do misji międzyplanetarnych. Błędem jest porównywanie możliwości energetycznych 25-tonowego pojazdu nośnego klasy Angara-A5 i 130-tonowego pojazdu nośnego klasy SLS - to to samo, co powiedzenie: „130-tonowa wywrotka jest chłodniejsza niż KamAZ, a Gazelle w ogóle nie jest samochodem”. Wcale nie: każdy pojazd - samochód lub rakieta, aby był skuteczny, musi być eksploatowany w pobliżu górnej granicy swoich możliwości energetycznych. Jeśli prowadzisz pojazd nośny pusty, jednostkowy koszt wystrzelenia ładunku wzrasta i jest to jeden z głównych wskaźników skuteczności pojazdu nośnego. Dlatego państwo potrzebuje nie jednego superpotężnego pojazdu nośnego, ale optymalnie zbilansowanej floty kamperów o różnych ładownościach dla określonych ładunków. Jeśli nie ma takich ładunków dla rakiety nośnej, ryzykuje dzielenie losu Energii. Nawiasem mówiąc, ważne jest, że dwie rakiety Saturn-5 zostały wysłane do muzeum pod koniec programu lotów na Księżyc NASA i Departamentu Obrony USA bez znalezienia dla nich ładunku.
Kwestia przeznaczenia wyrzutni STK była rozważana w NTS Roskosmosu - doszli do wniosku, że nie ma potrzeby wystrzeliwania monocargo o wadze 50-70 ton przed rokiem 2030-2035. Priorytety przemysłu kosmicznego w Rosji, powtarzamy, są określone w „Podstawach polityki państwa w dziedzinie działalności kosmicznej ...” Podstawowymi zadaniami są rozwój konstelacji orbitalnych statków kosmicznych dla celów naukowych, społeczno-ekonomicznych i dualnych cele. Dlatego w kierunku opracowania superciężkiej rakiety nośnej NTS Roskosmosu postanowiła ograniczyć się do stworzenia rezerwy naukowo-technicznej i opracowania obiecujących technologii do 2025 roku.
Trzeba przyznać, że obecnie stan krajowej konstelacji orbitalnej statków kosmicznych, delikatnie mówiąc, nie należy do najbogatszych. W szczególności konstelacja satelitów teledetekcyjnych Ziemi (ERS) składa się tylko z siedmiu satelitów i zaspokaja potrzeby konsumentów krajowych na poziomie 20–30 procent, podczas gdy konstelacje satelitów teledetekcyjnych Stanów Zjednoczonych, krajów europejskich i Chin składają się z ponad 35 satelitów każdy, zapewniających globalną kontrolę nad powierzchnią Ziemi, w tym w zasięgu radaru. Nawet w Indiach grupa satelitów teledetekcyjnych obejmuje 17 satelitów. To tam w pierwszej kolejności powinny trafić środki z FKP-2025 - w rozwój satelitów komunikacyjnych, nawigacyjnych, teledetekcyjnych, meteorologicznych, w tym satelitów o wysokiej rozdzielczości przestrzennej w każdych warunkach pogodowych, co jest szczególnie ważne dla Syberii, Dalekiej Północy , Arktyka i Daleki Wschód.
Jak pokazują obliczenia balistyczne, po wystrzeleniu z kosmodromu Wostocznyj zoptymalizowana wersja rakiety nośnej Angara-A5V z ulepszonym kriogenicznym RB KVTK-V zapewni wystrzelenie ładunku o masie do 11,9 tony na orbitę geotransferową i do 7,2 tony na orbitę geostacjonarną, a także możliwość realizacji początkowego etapu księżycowego programu załogowego z wykorzystaniem schematu czterech startów (patrz rys.): dwa sparowane starty rakiety nośnej, zapewniające oddzielne dostarczenie księżycowego kompleksu lądowania i startu (LPVK) i załogowym pojazdem transportowym (PTC) na orbitę księżycową z ich dokowaniem na orbicie sztucznego satelity Księżyca (AISL) i późniejszym lądowaniem LPVK z załogą na powierzchni Księżyca.
Typowy start sparowany obejmuje wystrzelenie ładunku w trajektorię balistyczną składającą się z PTK lub LPVT oraz małego międzyorbitalnego holownika tlenowo-naftowego (MOB2), stworzonego na bazie DM RB, który zapewni ostateczne wprowadzenie ładunku na niską orbitę okołoziemską, a następnie dokowanie ciężkiego holownika kriogenicznego międzyorbitalnego (MOB1), opracowanego na podstawie rezerwy dla RB KVTK. MOB1 o masie startowej przekraczającej 38 ton zostaje wystrzelony zgodnie ze schematem z dodatkowym startem do drugiego startu pojazdu startowego Angara-A5V. Po zadokowaniu na niskiej orbicie okołoziemskiej i ustawieniu faz, zmontowany księżycowy pojazd międzyorbitalny zostaje najpierw wystrzelony na wysoce eliptyczną orbitę przy użyciu energii MOB1. Po wyczerpaniu paliwa wodór MOB1 oddziela się, a nafta MOB2 kończy tworzenie trajektorii odlotu. Ponadto MOB2 zapewnia korekcję trajektorii lotu na Księżyc i przeniesienie ładunku na orbitę okołoksiężycową. Projekt FKP-2025 przewiduje prace nad tymi funduszami.
Oczywiście schemat wielokrotnego uruchamiania jest dość skomplikowany, wymaga najwyższej koordynacji: zespół uruchamiający musi pracować jednocześnie na dwóch wyrzutniach, jak w zegarku. Wstępne studia wykonalności pokazują, że zastosowanie w początkowej fazie programu księżycowego załogowego wielozadaniowego LV o zwiększonej ładowności klasy 35 ton zamiast specjalistycznego superciężkiego 80-tonowego LV zmniejszy koszty finansowe o ponad rząd wielkości, a zaoszczędzone zasoby mogą być wykorzystane w interesie rozwoju krajowej konstelacji orbitalnej statku kosmicznego, społeczno-ekonomicznej, naukowej i podwójnego przeznaczenia.
Jeśli chodzi o zastosowanie dopalaczy na paliwo stałe (STU) jako części pojazdu nośnego, należy tutaj zauważyć, że silniki rakietowe na paliwo stałe (SRM) mają nie tylko zalety, ale także wady w porównaniu z LRE - zmniejszony impuls ciągu o ~ 10–30 proc., gorsza doskonałość wagowa konstrukcji, zagrożenie pożarowe i wybuchowe produkcji i wyposażenia wsadu paliwowego, ograniczenie czasu pracy, sterowania ciągiem, warunków temperaturowych podczas rozruchu, szkodliwy wpływ produktów spalania na środowisko. Ponadto należy się liczyć ze zwiększonym o 30-40 proc. kosztem rakiety nośnej z silnikami rakietowymi na paliwo stałe w porównaniu do wyrzutni z silnikami rakietowymi na paliwo ciekłe oraz koniecznością zainwestowania znacznych środków w rozwój produkcji , baza technologiczno-testowa do tworzenia wielkogabarytowych silników rakietowych na paliwo stałe.
Zastosowanie wielkogabarytowych silników rakietowych na paliwo stałe jako części rakiety nośnej było wielokrotnie rozważane w projektach krajowych, ale biorąc pod uwagę powyższe czynniki, na podstawie wyników porównania alternatyw niezmiennie dokonywano wyboru na korzyść rakiety silnik. Rosja jest liderem w rozwoju i produkcji silników rakietowych z podtrzymaniem, które są kupowane przez klientów, m.in. ze Stanów Zjednoczonych. W projekcie FKP-2025 planowane jest również opracowanie technologii tworzenia startowego silnika rakietowego na paliwo stałe o ciągu około 100 ton. Możliwość zastosowania silników rakietowych na paliwo stałe w zaawansowanych pojazdach nośnych, na przykład w tym samym Phoenix, zostanie ustalona później, na podstawie wyników szczegółowej analizy.
Podsumowując: jasne jest, że projekt FKP-2025 można nadal ulepszać, jednak pod względem rozwoju pojazdów nośnych dokument ten jest dość wyważony, odzwierciedla rzeczywisty stan rzeczy i określa perspektywy rozwoju tego obszaru branży do 2025 r., biorąc pod uwagę ustalone priorytety działań kosmicznych i stan możliwości jej finansowania.
Jak wiadomo, głównym dokumentem określającym interesy państwa, główne cele, priorytety i zadania Rosji w zakresie eksploracji, eksploracji i wykorzystania przestrzeni kosmicznej są Podstawy Polityki Państwowej Federacji Rosyjskiej w tej dziedzinie działań kosmicznych do roku 2013 i później”.
Zgodnie z tym dokumentem do głównych priorytetów należy zapewnienie gwarantowanego dostępu Rosji do przestrzeni kosmicznej z jej terytorium wraz z rozwojem i wykorzystaniem technologii kosmicznych, technologii, robót i usług w interesie sfery społeczno-gospodarczej i obrony narodowej, a także jako bezpieczeństwo państwa; tworzenie obiektów kosmicznych w interesie nauki; działania związane z realizacją lotów załogowych, w tym tworzenie rezerwy naukowo-technicznej do realizacji lotów załogowych na planety i inne ciała Układu Słonecznego w ramach współpracy międzynarodowej.
Realizacja tych celów jest zapewniona poprzez wykorzystanie i rozwój istniejącego potencjału naukowego, technicznego i produkcyjnego do tworzenia zaawansowanych rakiet nośnych, holowników międzyorbitalnych, systemów celowania i obsługi automatycznych statków kosmicznych (SC), załogowych statków kosmicznych nowej generacji, elementów infrastruktury dla działania w przestrzeni kosmicznej i przełomowe technologie w celu rozwiązania docelowych problemów i technologii produkcyjnych.
Rezultatem będzie zachowanie statusu Rosji jako jednej z wiodących potęg kosmicznych, potwierdzenie samowystarczalności w zapewnieniu własnej działalności kosmicznej w całym spektrum zadań, które wymagają stworzenia orbitalnej konstelacji statków kosmicznych opartej na efektywnej ekonomicznie flocie rosyjskich pojazdów nośnych (SV).
Konieczność utrzymania stabilnej pozycji i konkurencyjności na rynku usług startowych jest zachętą do poprawy wskaźników technicznych i ekonomicznych SW, przede wszystkim do zwiększenia ich możliwości energetycznych.
Wszystkie te czynniki najwyraźniej uwidocznił się na przykładzie najbardziej udanego ekonomicznie produktu rosyjskiej kosmonautyki – ciężkiej rakiety nośnej Proton. Dopiero wejście rakiety Proton na międzynarodowy rynek usług startowych i jej ciągła modernizacja pozwoliła GKNPT im. M. V. Chrunichev, aby przetrwać w latach 90. i „zero” i utrzymać współpracę przemysłową, zapewniając utrzymanie rosyjskiej konstelacji orbitalnej statków kosmicznych i udział w międzynarodowych projektach.
Ładunek na wadze konkurencji
Aby określić, które SV mają zostać opracowane w FKP-2025, należy zrozumieć, że możliwości energetyczne rakiety nośnej są określone przez masę ładunku wystrzelonego na orbitę roboczą. Często, choć nie do końca poprawne, przy ocenie energii rakiety nośnej wykorzystuje się niską orbitę Ziemi o wysokości 200 kilometrów i nachyleniu równym szerokości geograficznej punktu startowego. Do funkcjonowania statku kosmicznego ta orbita nie jest wykorzystywana jako działająca, ponieważ ze względu na spowolnienie atmosfery czas istnienia statku kosmicznego na nim nie przekracza tygodnia. Wśród różnorodnych statków kosmicznych najdroższym i najbardziej zasobożernym rynkiem są statki kosmiczne telekomunikacyjne działające na orbicie geostacjonarnej.
Komercyjne starty statków kosmicznych telekomunikacyjnych charakteryzują się dwiema cechami. Masa komercyjnych statków kosmicznych rośnie szybciej niż te wystrzeliwane w ramach programów federalnych. Ale jak widać na wykresie, nawet masa komercyjnych statków kosmicznych jest daleka od nieograniczonych, a ich start nie wymaga superciężkiego pojazdu startowego (samochodu startowego STK) typu SLS.
Istnieją również różnice w schemacie balistycznym startów komercyjnych. Tak się złożyło, że zagraniczne statki kosmiczne, w przeciwieństwie do krajowych, nie są natychmiast wystrzeliwane na orbitę geostacjonarną, ale na pośrednią „standardową orbitę geotransferową” o wysokim apogeum. Statek kosmiczny, który oddzielił się od znajdującej się na nim rakiety nośnej, po około pięciogodzinnej przerwie balistycznej w apogeum orbity, wykorzystuje własny system napędowy do wypracowywania impulsu, który zapewnia powstanie orbity geostacjonarnej. Biorąc pod uwagę zużycie paliwa, masa ładunku wystrzelonego na pośrednią orbitę geotransferową powinna być około 1,6 razy większa niż na orbicie roboczej, czyli geostacjonarnej.
Wróćmy jednak do Protona – właśnie potrzeba utrzymania konkurencyjności na rynku usług startowych stała się powodem przeprowadzenia czterech etapów jego modernizacji kosztem środków z komercyjnych startów rakiety Proton – z oryginalnej wersji Protona -K do Proton-M i opracowanie dla rakiety Proton nowego górnego stopnia (RB) Briz-M, co umożliwiło zwiększenie masy ładunku wystrzeliwanego na orbitę geostacjonarną z 2,6 do 3,5 tony i na geotransfer orbita od 4,5 do 6,3, XNUMX tony. Ale bez względu na to, jak dobry jest lotniskowiec Proton, jego starty nie są wykonywane z terytorium Rosji. Są też problemy z zaopatrzeniem w paliwo dla Protonu, wysoce toksycznego heptylu używanego w pociskach bojowych i zaliczanego do substancji pierwszej, najwyższej klasy zagrożenia.
Kierownictwo kraju postawiło branży zadanie zapewnienia gwarantowanego dostępu do przestrzeni kosmicznej z jej terytorium - starty statków kosmicznych powinny być realizowane przez rakiety zaprojektowane i wyprodukowane w Rosji. Ponadto konieczna jest poprawa bezpieczeństwa ekologicznego startów poprzez eliminację stosowania toksycznego paliwa.
Te zadania powinien rozwiązać program budowy rakiety nośnej klasy ciężkiej Angara, która zapewni gwarantowane wystrzelenie na orbitę geostacjonarną statków kosmicznych i meteorologicznych telekomunikacyjnych i meteorologicznych, zapewniając obronę i bezpieczeństwo państwa.
Niestety rakieta Angara powstawała dość długo. Dekret rządu Federacji Rosyjskiej w sprawie opracowania projektu kompleksu rakiet kosmicznych klasy ciężkiej (SRC) został przyjęty na podstawie wyników konkursu, który odbył się 22 lata przed pierwszym wystrzeleniem rakiety nośnej. Realne finansowanie programu rozpoczęło się po 2005 roku. Umożliwiło to przeprowadzenie dwóch udanych startów testowych w 2014 roku oraz zaplanowanie startów pojazdów nośnych o docelowej ładowności od 2016 roku. Po wystrzeleniu z kosmodromu Plesetsk, możliwości energetyczne pojazdu nośnego Angara-A5 z kriogenicznym RB KVTK zapewnią wystrzelenie ładunku ważącego 4,5 tony na orbitę geostacjonarną i 7,5 tony na standardową orbitę geotransferową (przy użyciu Breeze- M RB - odpowiednio 2,9 i 5,4 tony).
Podczas rozmieszczania sondy Angara na kosmodromie Wostocznyj, możliwości energetyczne rakiety nośnej Angara-A5 z tlenowo-wodorowym RB KVTK zapewnią wystrzelenie ładunku o masie do pięciu ton na orbitę geostacjonarną i do ośmiu ton na geotransfer orbita. Ta rezerwa energii wystarczy w najbliższej przyszłości do wystrzelenia statku kosmicznego w ramach programów federalnych, ale nie pozwala konkurować o uruchomienie statku kosmicznego z wyższej półki cenowej z nowymi zagranicznymi ciężkimi pojazdami nośnymi o zwiększonej ładowności - Delta-IVH, Ariane-5ECA i Atlas-5. W szczególności rakieta nośna Atlas-5 z serii 500 wystrzeliwuje do 8,7 ton na orbitę geotransferową, a najpotężniejsza wyrzutnia używana do wystrzelenia statku kosmicznego Departamentu Obrony USA (Delta-IVH) zapewnia wystrzelenie ładunku o masie do 13,1 ton na orbitę geotransferową, XNUMX tona.
Po kompleksowej analizie priorytetów i wymagań dotyczących możliwości energetycznych SW, a także stanu rynku usług kosmicznych, NTS Roskosmosu ustaliło, że w celu rozwiązania problemów w kosmosie, w tym wystrzelenia obiecujących statków kosmicznych o masie co najmniej siedem ton na orbitę geostacjonarną i 12 ton na orbitę geoprzejściową, będzie to wymagane Pojazd nośny zdolny do dostarczenia co najmniej 35 ton ładunku na niską orbitę okołoziemską.
Taka rakieta nośna Angara-A5V może zostać stworzona poprzez zastąpienie trzeciego stopnia tlenowo-naftowego rakiety nośnej Angara-A5 nowo opracowanym stopniem tlenowo-wodorowym. Pojazd nośny Angara-A5V jest maksymalnie zunifikowany z stworzoną rakietą nośną Angara-A5, także pod względem naziemnych obiektów infrastruktury kosmicznej. Pod względem możliwości energetycznych pojazd nośny Angara-A5V będzie odpowiadał obecnie rozwijanym zagranicznym pojazdom nośnym o zwiększonej ładowności, takim jak Ariane-6 (Europa), Vulcan (USA), CZ-5 (Chiny) i H-3 (Japonia). ) i zapewni w krótkim okresie konkurencyjność rosyjskich pojazdów klasy ciężkiej na światowym rynku usług kosmicznych.
Nasze ciężkie pojazdy nośne Proton-M i Angara-A5 z silnikami rakietowymi na paliwo ciekłe (LRE) odpowiadają zagranicznym pojazdom nośnym zarówno pod względem stosunku ciągu do masy, jak i masy ładunku umieszczonego na określonych orbitach.
Z gazem lub bez gazu
Obecnie flota krajowych pojazdów SV składa się z lekkiej rakiety Rokot, średniej klasy Sojuz z rakietą Fregat oraz ciężkiej rakiety Proton z rakietami DM i Breeze-M.
W niedalekiej przyszłości pojazdy nośne „heptyl” Rokot i Proton zastąpią przyjazne środowisku pojazdy nośne z rodziny Angara. Jednocześnie planowane jest ulepszenie technologii i obniżenie kosztów seryjnych pojazdów nośnych Angara-A5. Planowane są również prace nad zastąpieniem „heptylowego” RB „Fregat” małym RB „ML” na komponentach przyjaznych dla środowiska. Planowana jest również wymiana Sojuz LV, weterana krajowej technologii rakietowej, na obiecującą średniej klasy LV, stworzoną w ramach prac rozwojowych Phoenix. W trakcie jego rozwoju planowane jest wdrożenie obiecujących technologii zapewniających wzrost właściwości operacyjnych, w tym wykorzystanie skroplonego gazu ziemnego (LNG) jako paliwa rakietowego.
Przestrzeń na otwartej przestrzeni
Dlaczego LNG jest interesujące? Główną zaletą jest zasadnicza możliwość obniżenia kosztów układu napędowego (PS) rakiety nośnej dzięki radykalnemu spadkowi ciśnienia roboczego w komorze spalania silnika (z 250–260 do 160–170 atmosfer) przy niewielkim (≈4%) wzrost impulsu właściwego pustki. Wzrost tego ostatniego parametru umożliwia utrzymanie osiągniętego poziomu charakterystyki energetyczno-masowej stopni nośnych, mimo o połowę mniejszej gęstości LNG niż nafty. Cechą silników rakietowych na paliwo ciekłe zasilanych LNG jest możliwość opracowania silnika o schemacie odzyskiwania, który jest mniej podatny na przejściowy rozwój sytuacji wybuchowych w sytuacjach awaryjnych. Ogólnie rzecz biorąc, wstępne studia wykonalności wskazują, że można oczekiwać około 1,5-krotnego obniżenia kosztów PS na LNG w porównaniu do PS opartego na istniejących wysokociśnieniowych silnikach rakietowych na paliwo ciekłe nafty, co zwiększy konkurencyjność krajowych pojazdów nośnych.
Oceniając doświadczenia w tworzeniu superciężkiej rakiety nośnej należy zauważyć, że Energia-Buran to niewątpliwie apogeum rodzimej technologii rakietowej, wybitny program pod względem organizacji, koncentracji zasobów, osiągnięć w rozwoju nowych konstrukcji i ciepłownictwa. - materiały osłonowe, opanowanie technologii tworzenia potężnych silników naftowych i wodorowych, produkcja i transport dużych ilości ciekłego wodoru, aerodynamika naddźwiękowa itp. Cały kraj pracował na to, ale państwo nie miało środków, sił i celów, aby rozmieścić ten system kosmiczny na orbicie. Jednocześnie przez ponad 10 lat prac nad stworzeniem kompleksu Energia-Buran wydatkowano ponad jedną trzecią środków przeznaczonych na działania kosmiczne, co wpłynęło na efektywność realizacji pozostałych jego obszarów.
W tym okresie Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) opracowała i zaczęła przeprowadzać starty średniej klasy rakiety nośnej Ariane-4. Dzięki tej rakiecie firma Arianspace zajęła ponad połowę rynku komercyjnych startów na orbitę geotransferową i zarobiwszy pieniądze, stworzyła ciężki pojazd nośny klasy Ariane-5, który nadal zapewnia realizację programów kosmicznych ESA i posiada ponad 40 proc. globalny rynek usług startowych.
Gazeta „VPK” (nr 27) napisała: „…Pentagon powinien odczuwać głęboką satysfakcję, obserwując, jak Rosja coraz bardziej oddala się od tworzenia nowoczesnych superciężkich pojazdów nośnych”, ale szacuje pokazują, że wszystkie zadania wojskowe w dającej się przewidzieć przyszłości Pentagon zdecyduje się na użycie ciężkich rakiet nośnych Delta IVH i Atlas-5, a nie rakiety nośnej SLS przeznaczonej do misji międzyplanetarnych. Błędem jest porównywanie możliwości energetycznych 25-tonowego pojazdu nośnego klasy Angara-A5 i 130-tonowego pojazdu nośnego klasy SLS - to to samo, co powiedzenie: „130-tonowa wywrotka jest chłodniejsza niż KamAZ, a Gazelle w ogóle nie jest samochodem”. Wcale nie: każdy pojazd - samochód lub rakieta, aby był skuteczny, musi być eksploatowany w pobliżu górnej granicy swoich możliwości energetycznych. Jeśli prowadzisz pojazd nośny pusty, jednostkowy koszt wystrzelenia ładunku wzrasta i jest to jeden z głównych wskaźników skuteczności pojazdu nośnego. Dlatego państwo potrzebuje nie jednego superpotężnego pojazdu nośnego, ale optymalnie zbilansowanej floty kamperów o różnych ładownościach dla określonych ładunków. Jeśli nie ma takich ładunków dla rakiety nośnej, ryzykuje dzielenie losu Energii. Nawiasem mówiąc, ważne jest, że dwie rakiety Saturn-5 zostały wysłane do muzeum pod koniec programu lotów na Księżyc NASA i Departamentu Obrony USA bez znalezienia dla nich ładunku.
Kwestia przeznaczenia wyrzutni STK była rozważana w NTS Roskosmosu - doszli do wniosku, że nie ma potrzeby wystrzeliwania monocargo o wadze 50-70 ton przed rokiem 2030-2035. Priorytety przemysłu kosmicznego w Rosji, powtarzamy, są określone w „Podstawach polityki państwa w dziedzinie działalności kosmicznej ...” Podstawowymi zadaniami są rozwój konstelacji orbitalnych statków kosmicznych dla celów naukowych, społeczno-ekonomicznych i dualnych cele. Dlatego w kierunku opracowania superciężkiej rakiety nośnej NTS Roskosmosu postanowiła ograniczyć się do stworzenia rezerwy naukowo-technicznej i opracowania obiecujących technologii do 2025 roku.
Trzeba przyznać, że obecnie stan krajowej konstelacji orbitalnej statków kosmicznych, delikatnie mówiąc, nie należy do najbogatszych. W szczególności konstelacja satelitów teledetekcyjnych Ziemi (ERS) składa się tylko z siedmiu satelitów i zaspokaja potrzeby konsumentów krajowych na poziomie 20–30 procent, podczas gdy konstelacje satelitów teledetekcyjnych Stanów Zjednoczonych, krajów europejskich i Chin składają się z ponad 35 satelitów każdy, zapewniających globalną kontrolę nad powierzchnią Ziemi, w tym w zasięgu radaru. Nawet w Indiach grupa satelitów teledetekcyjnych obejmuje 17 satelitów. To tam w pierwszej kolejności powinny trafić środki z FKP-2025 - w rozwój satelitów komunikacyjnych, nawigacyjnych, teledetekcyjnych, meteorologicznych, w tym satelitów o wysokiej rozdzielczości przestrzennej w każdych warunkach pogodowych, co jest szczególnie ważne dla Syberii, Dalekiej Północy , Arktyka i Daleki Wschód.
Jak pokazują obliczenia balistyczne, po wystrzeleniu z kosmodromu Wostocznyj zoptymalizowana wersja rakiety nośnej Angara-A5V z ulepszonym kriogenicznym RB KVTK-V zapewni wystrzelenie ładunku o masie do 11,9 tony na orbitę geotransferową i do 7,2 tony na orbitę geostacjonarną, a także możliwość realizacji początkowego etapu księżycowego programu załogowego z wykorzystaniem schematu czterech startów (patrz rys.): dwa sparowane starty rakiety nośnej, zapewniające oddzielne dostarczenie księżycowego kompleksu lądowania i startu (LPVK) i załogowym pojazdem transportowym (PTC) na orbitę księżycową z ich dokowaniem na orbicie sztucznego satelity Księżyca (AISL) i późniejszym lądowaniem LPVK z załogą na powierzchni Księżyca.
Typowy start sparowany obejmuje wystrzelenie ładunku w trajektorię balistyczną składającą się z PTK lub LPVT oraz małego międzyorbitalnego holownika tlenowo-naftowego (MOB2), stworzonego na bazie DM RB, który zapewni ostateczne wprowadzenie ładunku na niską orbitę okołoziemską, a następnie dokowanie ciężkiego holownika kriogenicznego międzyorbitalnego (MOB1), opracowanego na podstawie rezerwy dla RB KVTK. MOB1 o masie startowej przekraczającej 38 ton zostaje wystrzelony zgodnie ze schematem z dodatkowym startem do drugiego startu pojazdu startowego Angara-A5V. Po zadokowaniu na niskiej orbicie okołoziemskiej i ustawieniu faz, zmontowany księżycowy pojazd międzyorbitalny zostaje najpierw wystrzelony na wysoce eliptyczną orbitę przy użyciu energii MOB1. Po wyczerpaniu paliwa wodór MOB1 oddziela się, a nafta MOB2 kończy tworzenie trajektorii odlotu. Ponadto MOB2 zapewnia korekcję trajektorii lotu na Księżyc i przeniesienie ładunku na orbitę okołoksiężycową. Projekt FKP-2025 przewiduje prace nad tymi funduszami.
Oczywiście schemat wielokrotnego uruchamiania jest dość skomplikowany, wymaga najwyższej koordynacji: zespół uruchamiający musi pracować jednocześnie na dwóch wyrzutniach, jak w zegarku. Wstępne studia wykonalności pokazują, że zastosowanie w początkowej fazie programu księżycowego załogowego wielozadaniowego LV o zwiększonej ładowności klasy 35 ton zamiast specjalistycznego superciężkiego 80-tonowego LV zmniejszy koszty finansowe o ponad rząd wielkości, a zaoszczędzone zasoby mogą być wykorzystane w interesie rozwoju krajowej konstelacji orbitalnej statku kosmicznego, społeczno-ekonomicznej, naukowej i podwójnego przeznaczenia.
Jeśli chodzi o zastosowanie dopalaczy na paliwo stałe (STU) jako części pojazdu nośnego, należy tutaj zauważyć, że silniki rakietowe na paliwo stałe (SRM) mają nie tylko zalety, ale także wady w porównaniu z LRE - zmniejszony impuls ciągu o ~ 10–30 proc., gorsza doskonałość wagowa konstrukcji, zagrożenie pożarowe i wybuchowe produkcji i wyposażenia wsadu paliwowego, ograniczenie czasu pracy, sterowania ciągiem, warunków temperaturowych podczas rozruchu, szkodliwy wpływ produktów spalania na środowisko. Ponadto należy się liczyć ze zwiększonym o 30-40 proc. kosztem rakiety nośnej z silnikami rakietowymi na paliwo stałe w porównaniu do wyrzutni z silnikami rakietowymi na paliwo ciekłe oraz koniecznością zainwestowania znacznych środków w rozwój produkcji , baza technologiczno-testowa do tworzenia wielkogabarytowych silników rakietowych na paliwo stałe.
Zastosowanie wielkogabarytowych silników rakietowych na paliwo stałe jako części rakiety nośnej było wielokrotnie rozważane w projektach krajowych, ale biorąc pod uwagę powyższe czynniki, na podstawie wyników porównania alternatyw niezmiennie dokonywano wyboru na korzyść rakiety silnik. Rosja jest liderem w rozwoju i produkcji silników rakietowych z podtrzymaniem, które są kupowane przez klientów, m.in. ze Stanów Zjednoczonych. W projekcie FKP-2025 planowane jest również opracowanie technologii tworzenia startowego silnika rakietowego na paliwo stałe o ciągu około 100 ton. Możliwość zastosowania silników rakietowych na paliwo stałe w zaawansowanych pojazdach nośnych, na przykład w tym samym Phoenix, zostanie ustalona później, na podstawie wyników szczegółowej analizy.
Podsumowując: jasne jest, że projekt FKP-2025 można nadal ulepszać, jednak pod względem rozwoju pojazdów nośnych dokument ten jest dość wyważony, odzwierciedla rzeczywisty stan rzeczy i określa perspektywy rozwoju tego obszaru branży do 2025 r., biorąc pod uwagę ustalone priorytety działań kosmicznych i stan możliwości jej finansowania.
informacja