În spațiu pe un meteorochet: proiecte de vehicule spațiale de lansare ultra-mici
Cucerirea spațiului cosmic a devenit una dintre cele mai importante și de epocă realizări ale omenirii. Crearea vehiculelor de lansare și a infrastructurii pentru lansarea lor a necesitat eforturi enorme din partea țărilor lider ale lumii. În timpul nostru, a existat o tendință spre crearea de vehicule de lansare complet reutilizabile, capabile să efectueze zeci de zboruri în spațiu. Dezvoltarea și funcționarea lor necesită încă resurse uriașe pe care doar statele sau marile corporații le pot oferi (din nou, cu sprijinul statului).
Racheta sovietică R-7, care la 4 octombrie 1957 a lansat pentru prima dată un satelit artificial pe orbita Pământului și conceptul de rachetă super-grea americană BFR, în prezent capabilă să devină cea mai avansată lansare, complet reutilizabilă. vehicul disponibil pentru omenire
La începutul secolului al XXI-lea, îmbunătățirea și miniaturizarea componentelor electronice a făcut posibilă crearea de sateliți de dimensiuni mici (așa-numiții „microsateliți” și „nanosateliți”), a căror masă este în intervalul 1-100. kg. Recent, am vorbit despre „sateliți pico” (cu o greutate de la 100 g la 1 kg) și „sateliți femto” (cu o greutate mai mică de 100 g). Astfel de sateliți pot fi lansați ca marfă de grupaj de la diferiți clienți sau ca încărcătură laterală pentru nave spațiale „mari” (SC). O astfel de metodă de lansare nu este întotdeauna convenabilă, deoarece producătorii de nanosateliți (vom folosi această denumire pentru toate dimensiunile navelor spațiale ultra-mice în viitor) trebuie să se adapteze la programul clienților pentru lansarea încărcăturii principale și, de asemenea, din cauza diferențe în orbitele de lansare.
Acest lucru a dus la apariția cererii de vehicule de lansare ultra-mici capabile să lanseze nave spațiale cu o masă de aproximativ 1-100 kg.
DARPA și KB MiG
Au existat și sunt în curs de dezvoltare multe proiecte de vehicule de lansare ultra-uşoare - cu lansare terestră, aeriană și pe mare. În special, problema lansării rapide a navelor spațiale ultra-mice a fost studiată activ de agenția americană DARPA. În special, putem aminti proiectul ALASA, lansat în 2012, în cadrul căruia era planificată crearea unei rachete de dimensiuni mici, concepută pentru a fi lansată de pe un avion de luptă F-15E și punerea sateliților cu o greutate de până la 45 kg pe o orbită de referință joasă ( LEU).
Proiect ALASA
LRE-urile instalate pe rachetă ar fi trebuit să funcționeze cu monopropelant NA-7, inclusiv monopropilenă, protoxid de azot și acetilenă. Costul de lansare nu trebuia să depășească 1 milion de dolari. Probabil că au fost problemele cu combustibilul, în special cu autoaprinderea și tendința de a exploda, cele care au pus capăt acestui proiect.
Un proiect similar era în curs de elaborare în Rusia. În 1997, biroul de proiectare MiG, împreună cu KazKosmos (Kazahstan), a început să dezvolte un sistem pentru lansarea unei sarcini utile (PN) pe orbită folosind un interceptor convertit MiG-31I (Ishim). Proiectul a fost dezvoltat pe baza bazelor pentru crearea unei modificări anti-satelit a MiG-31D.
O rachetă în trei trepte, lansată la o altitudine de aproximativ 17 de metri și o viteză de 000 km/h, trebuia să asigure lansarea unei sarcini utile cu o greutate de 3000 kg pe o orbită la o înălțime de 300 de kilometri, o sarcină utilă cu o greutate de 160 kg. pe o orbită la o înălțime de 600 de kilometri.
Conceptul MiG-31I
Situația financiară dificilă din Rusia la sfârșitul anilor 90 și începutul anilor 2000 nu a permis realizarea acestui proiect în metal, deși obstacolele tehnice în procesul de dezvoltare nu pot fi excluse.
Au existat multe alte proiecte pentru vehicule de lansare ultrauşoare. Caracteristica lor distinctivă poate fi considerată dezvoltarea proiectelor de către agenții guvernamentale sau mari corporații (practic „de stat”). Platforma de lansare trebuia adesea să fie platforme complexe și costisitoare precum vânătoare, bombardiere sau avioane grele de transport.
Toate acestea împreună au complicat dezvoltarea și au crescut costul complexelor, iar acum conducerea în crearea de vehicule de lansare ultra-ușoare a trecut în mâinile companiilor private.
Laboratorul de rachete
Unul dintre cele mai de succes și mai faimoase proiecte de rachete ultraușoare poate fi considerat vehiculul de lansare Elektron al companiei SUA-Noua Zeelandă Rocket Lab. Această rachetă în două etape cu o masă de 12550 kg este capabilă să lanseze 250 kg de PL sau 150 kg de PL în LEO pe o orbită sincronă cu soarele (SSO) cu o înălțime de 500 de kilometri. Compania intenționează să lanseze până la 130 de rachete pe an.
RN Electron și Peter Beck - CEO al Rocket Lab
Designul rachetei este realizat din fibră de carbon, motoarele cu reacție cu propulsie lichidă (LRE) sunt utilizate pe o pereche de combustibil de kerosen + oxigen. Pentru a simplifica și a reduce costul proiectării, folosește ca sursă de curent baterii cu litiu-polimer, sisteme de control pneumatic și un sistem de înlocuire a combustibilului din rezervoarele care funcționează cu heliu comprimat. În fabricarea motoarelor de rachetă și a altor componente de rachetă, tehnologiile aditive sunt utilizate în mod activ.
Dimensiunile vehiculului de lansare Elektron în comparație cu dimensiunile rachetelor Soyuz-2.1a, Ariane-5, Falcon 9 și Falcon HAVI
Se poate observa că prima rachetă Rocket Lab a fost racheta meteorologică Cosmos-1 („Atea-1” în limba maori), capabilă să ridice o sarcină utilă de 2 kg la o înălțime de aproximativ 120 de kilometri.
Racheta meteo Atea-1 de la Rocket Lab
Lin Industrial
„Analogul” rusesc al Rocket Lab poate fi numit compania Lin Industrial, care dezvoltă proiecte atât pentru cea mai simplă rachetă suborbitală capabilă să atingă o altitudine de 100 km, cât și pentru vehicule de lansare concepute pentru a lansa sarcini utile către LEO și SSO.
Deși piața rachetelor suborbitale (în primul rând precum rachetele meteorologice și geofizice) este dominată de soluții cu motoare cu combustibil solid, Lin Industrial își construiește racheta suborbitală bazată pe un motor de rachetă alimentat cu kerosen și peroxid de hidrogen. Cel mai probabil, acest lucru se datorează faptului că Lin Industrial își vede principala direcție de dezvoltare în lansarea comercială a unui vehicul de lansare pe orbită, iar o rachetă suborbitală cu combustibil lichid este mai probabil destinată testării soluțiilor tehnice.
Compania de rachete suborbitale „Lin Industrial”
Proiectul principal al companiei „Lin Industrial” este vehiculul de lansare ultra-ușor „Taimyr”. Inițial, proiectul prevedea un aspect modular cu un aranjament serie-paralel de module, care face posibilă formarea unui vehicul de lansare cu capacitatea de a lansa o sarcină utilă cu o greutate de la 10 la 180 kg la LEO. Modificarea masei minime a PN de ieșire urma să fie asigurată prin modificarea numărului de unități de rachete universale (URB) - URB-1, URB-2 și URB-3 și unitatea de rachetă din a treia etapă RB-2.
Opțiuni de implementare pentru racheta modulară Taimyr
- "Taimyr-1A" - un vehicul de lansare în trei etape. Prima etapă este URB-1 cu nouă motoare de rachetă, a doua etapă este URB-2 cu un motor de rachetă cu o tracțiune de ~400 kgf, a treia etapă este URB-3. Greutate de lansare - 2,6 tone, lungime - 16 m, masa sarcinii utile pe orbita joasă a Pământului - 12 kg.
- "Taimyr-1" - un vehicul de lansare în trei etape. Prima etapă este URB-1 cu un LRE cu o tracțiune de ~4 tf, a doua etapă este URB-2 cu un LRE cu o tracțiune de ~400 kgf, a treia treaptă este URB-3. Greutate de lansare - 2,6 tone, lungime - 16 m, masa sarcinii utile pe orbita joasă a Pământului - 14 kg.
- "Taimyr-5" - un vehicul de lansare în trei etape. Prima treaptă este 4 URB-1 cu o tracțiune LRE ~ 4 tf, a doua treaptă este un URB-1 cu tracțiune LRE ~ 4 tf, a treia treaptă este URB-2 cu tracțiune LRE ~ 100 kgf. Greutate de lansare - 11,2 tone, lungime - 16 m, masa sarcinii utile pe orbita joasă a Pământului - 108 kg.
- "Taimyr-7" - un vehicul de lansare în trei etape. Prima treaptă este 6 URB-1 cu o tracțiune LRE ~4 tf, a doua treaptă este un URB-1 cu o tracțiune LRE ~4 tf, a treia treaptă este URB-2 cu tracțiune LRE ~100 kgf. Greutate de lansare - 15,6 tone, lungime - 16 m, masa de sarcină utilă pe orbită terestră joasă - până la 180 kg, pe orbită sincronă cu soare - 85 kg.
Motoarele vehiculului de lansare Taimyr trebuie să funcționeze cu kerosen și peroxid de hidrogen concentrat, alimentarea cu combustibil trebuie efectuată prin deplasare cu heliu comprimat. Designul ar trebui să folosească pe scară largă materiale compozite, inclusiv fibră de carbon și componente realizate prin imprimare 3D.
Ulterior, compania Lin Industrial a abandonat schema modulară - vehiculul de lansare a devenit unul în două etape, cu o aranjare secvențială a etapelor, în urma căreia aspectul vehiculului de lansare Taimyr a început să semene cu aspectul vehiculului de lansare Elektron. al companiei Rocket Lab. De asemenea, sistemul de deplasare cu heliu comprimat a fost înlocuit cu o alimentare cu combustibil folosind pompe electrice alimentate de baterii.
Evoluția proiectului vehiculului de lansare ultra-ușor „Taimyr” al companiei „Lin Industrial”
Prima lansare a vehiculului de lansare Taimyr este planificată pentru 2023.
IHI Aerospace
Unul dintre cele mai interesante vehicule de lansare ultra-ușoare este racheta japoneză SS-520 cu trei trepte cu combustibil solid, fabricată de IHI Aerospace, creată pe baza rachetei geofizice S-520 prin adăugarea unei a treia etape și rafinarea corespunzătoare a on- sisteme de bord. Înălțimea rachetei SS-520 este de 9,54 metri, diametrul este de 0,54 metri, greutatea de lansare este de 2600 kg. Masa sarcinii utile pentru LEO este de aproximativ 4 kg.
Lansați vehiculul de lansare SS-520-4
Corpul primei trepte este din oțel de înaltă rezistență, a doua treaptă este din compozit din fibră de carbon, carenul este din fibră de sticlă. Toate cele trei trepte sunt propulsoare solide. Sistemul de control al vehiculului de lansare SS-520 este pornit periodic în momentul separării primei și a doua etape, iar în restul timpului racheta este stabilizată prin rotație.
Pe 3 februarie 2018, vehiculul de lansare SS-520-4 a lansat cu succes cubesat-ul TRICOM-1R cu o greutate de 3 kilograme, conceput pentru a demonstra posibilitatea de a crea nave spațiale din componente electronice de larg consum. La momentul lansării, SS-520-4 era cel mai mic vehicul de lansare din lume, care a fost înregistrat în Cartea Recordurilor Guinness.
Rachete din familia SS-520
Crearea de vehicule de lansare ultra-mici bazate pe rachete meteorologice și geofizice cu combustibil solid poate fi o direcție destul de promițătoare. Astfel de rachete sunt usor de intretinut si pot fi depozitate o perioada indelungata intr-o stare care sa le asigure pregatirea pentru lansare in cel mai scurt timp posibil.
Costul unui motor de rachetă cu propulsie lichidă poate fi de aproximativ 50% din costul unei rachete și este puțin probabil să se ajungă la o cifră mai mică de 30%, chiar și ținând cont de utilizarea tehnologiilor aditive. Vehiculele de lansare cu combustibil solid nu folosesc un oxidant criogenic, care necesită condiții speciale de depozitare și realimentare imediat înainte de lansare. În același timp, pentru fabricarea încărcăturilor de combustibil solid, se dezvoltă și tehnologii aditive care fac posibilă „tipărirea” încărcăturilor de combustibil cu configurația necesară.
Dimensiunile compacte ale vehiculelor de lansare ultraușoare simplifică transportul acestora și permit lansarea din diverse puncte de pe planetă pentru a obține înclinația necesară a orbitei. Vehiculele de lansare ultrauşoare necesită o platformă de lansare mult mai simplă decât rachetele „mari”, ceea ce îi permite să fie mobil.
Există proiecte de rachete similare în Rusia și pe ce bază pot fi implementate?
Un număr semnificativ de rachete meteorologice au fost produse în URSS - MP-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MP-12, MP- 20 și rachete geofizice - 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. Proiectele multora dintre ele s-au bazat pe dezvoltări militare ale rachetelor balistice sau antirachete. În anii de explorare activă a atmosferei superioare, numărul lansărilor a ajuns la 600-700 de rachete pe an.
Rachete geofizice ale URSS
După prăbușirea URSS, numărul de lansări și tipuri de rachete a fost redus drastic. În acest moment, Roshydromet utilizează două complexe - MP-30 cu racheta MN-300 dezvoltată de Instituția Federală a Bugetelor de Stat NPO Typhoon / OKB Novator și racheta meteorologică MERA dezvoltată de JSC KBP.
MP-30 (MN-300)
Racheta complexului MP-30 asigură o ridicare de 50-150 kg de echipament științific la o înălțime de până la 300 de kilometri. Lungimea rachetei MN-300 este de 8012 mm cu un diametru de 445 mm, greutatea de lansare este de 1558 kg. Costul unei lansări a rachetei MN-300 este estimat la 55-60 de milioane de ruble.
Modelul rachetei și lansator al complexului MP-30, precum și lansarea rachetei MN-300
Pe baza rachetei MN-300, se ia în considerare posibilitatea creării unui vehicul de lansare ultra-mic IR-300 prin adăugarea unei a doua etape și a unei trepte superioare (de fapt, o a treia etapă). Adică, de fapt, se propune să se repete experiența destul de reușită în implementarea vehiculului de lansare ultra-ușor japonez SS-520.
În același timp, unii experți sunt de părere că, deoarece viteza maximă a rachetei MN-300 este de aproximativ 2000 m/s, atunci pentru a obține prima viteză spațială de ordinul a 8000 m/s, este necesar să se pună vehiculul de lansare pe orbită, poate fi necesară o prelucrare prea serioasă a proiectului inițial, reprezentând în esență dezvoltarea unui nou produs, care poate duce la o creștere a costurilor de lansare cu aproape un ordin de mărime și să-l facă nerentabil în comparație cu concurenții.
MĂSURA
Racheta meteorologică MERA este proiectată să ridice o sarcină utilă cu o greutate de 2-3 kg până la o înălțime de 110 kilometri. Masa rachetei MERA este de 67 kg.
Lansatorul și lansarea rachetei meteorologice MERA
Sarcina utilă a rachetei meteo MERA
La prima vedere, racheta meteorologică MERA este absolut nepotrivită pentru utilizare ca bază pentru crearea unui vehicul de lansare ultraușoară, dar, în același timp, există câteva nuanțe care fac posibilă contestarea acestui punct de vedere.
Racheta meteorologică MERA este o rachetă bicaliber în două etape, iar doar prima etapă îndeplinește funcția de accelerare, a doua zboară prin inerție după separare, ceea ce face ca acest complex să fie legat de rachetele ghidate antiaeriene (SAM) ale Tunguska și Pantsir. sisteme de rachete și tunuri antiaeriene (ZRPK). De fapt, pe baza rachetelor pentru sistemele de apărare aeriană ale acestor complexe, a fost creată racheta meteorologică MERA.
Prima etapă este o carcasă compozită cu o sarcină de propulsie solidă plasată în ea. În 2,5 secunde, prima etapă accelerează meteorochetul la o viteză de 5M (viteza sunetului), care este de aproximativ 1500 m/s. Diametrul primei trepte este de 170 mm.
Racheta meteo MERA
Fabricată din material compozit înfășurat, prima etapă a rachetei meteorologice MERA este extrem de ușoară (comparativ cu structurile din oțel și aluminiu de dimensiuni similare) - greutatea sa este de doar 55 kg. De asemenea, costul acestuia ar trebui să fie semnificativ mai mic decât soluțiile din fibră de carbon.
Pe baza acestui fapt, se poate presupune că, pe baza primei etape a rachetei meteorologice MERA, poate fi dezvoltat un modul de rachetă unificat (URM), proiectat pentru formarea în serie a etapelor de lansare ultrauşoare.
De fapt, vor exista două astfel de module, ele vor diferi prin duza unui motor de rachetă, optimizate corespunzător pentru funcționarea în atmosferă sau în vid. În prezent, diametrul maxim al carcaselor fabricate de KBP JSC folosind metoda de înfășurare este probabil de 220 mm. Este posibil ca din punct de vedere tehnic să fie posibilă fabricarea de carcase compozite cu diametru și lungime mai mari.
Pe de altă parte, este posibil ca cea mai bună soluție să fie fabricarea de carene, a căror dimensiune va fi unificată cu orice muniție pentru sistemul de rachete de apărare antiaeriană Pantsir, proiectile ghidate ale complexului Hermes sau rachete meteorologice MERA, care vor reduce costul unui singur produs prin creșterea volumului de lansare în serie a aceluiași produs.
Etapele vehiculului de lansare trebuie asamblate din URM, fixate în paralel, în timp ce separarea etapelor se va efectua transversal - separarea longitudinală a URM în etapă nu este prevăzută. Se poate presupune că etapele unui astfel de vehicul de lansare vor avea o masă parazită mare în comparație cu un corp monobloc cu un diametru mai mare. Acest lucru este parțial adevărat, totuși, masa redusă a carcasei din materiale compozite face posibilă compensarea în mare măsură a acestui dezavantaj. Se poate dovedi că o carcasă cu diametru mare realizată folosind o tehnologie similară va fi mult mai dificil și mai costisitor de produs, iar pereții săi vor trebui făcuți mult mai groși pentru a asigura rigiditatea structurală necesară decât cei ai URM-urilor conectate într-un pachet, astfel incat in final masa solutiilor monobloc si pachet va fi comparabila, la un cost mai mic al acestora din urma. Și cu o mare probabilitate, o carcasă monobloc din oțel sau aluminiu va fi mai grea decât o carcasă compozită ambalată.
Conceptul unui vehicul de lansare ultra-ușor MERA-K bazat pe KRM, realizat pe baza primei etape a rachetei meteorologice MERA (imaginea este realizată pe baza vehiculului de lansare modular Taimyr al companiei Lin Industrial)
Conectarea paralelă a RRM poate fi realizată folosind elemente frezate compozite plate situate în părțile superioare și inferioare ale treptei (în punctele de îngustare ale corpului RRM). Dacă este necesar, se pot utiliza suplimentar șape din materiale compozite. Pentru a reduce costurile în proiectare, materiale tehnologice și ieftine industriale, adezivii de înaltă rezistență ar trebui să fie folosiți cât mai mult posibil.
În mod similar, treptele vehiculului de lansare pot fi interconectate prin elemente tubulare sau de întărire compozite, iar designul poate fi neseparabil, atunci când treptele sunt separate, elementele de susținere pot fi distruse de încărcături piro într-o manieră controlată. Mai mult, pentru a crește fiabilitatea, încărcăturile piro pot fi amplasate în mai multe puncte situate succesiv ale structurii de susținere și inițiate atât prin aprindere electrică, cât și prin aprindere directă de la flacăra motoarelor din treapta superioară, atunci când sunt pornite (pentru împușcarea inferioară). etapă dacă aprinderea electrică nu a funcționat).
Armătura din fibră de sticlă compozită pentru clădire are rezistență ridicată, greutate redusă și rezistență ridicată la coroziune. Este posibil ca acesta să fie bine utilizat la fabricarea elementelor portante ale unui vehicul de lansare ultraușoară.
Controlul LV poate fi implementat în același mod ca și pe vehiculul de lansare ultra-ușor japonez SS-520. Opțiunea instalării unui sistem de control radio comandă, similar cu cel instalat pe sistemul de rachete de apărare antiaeriană Pantsir, poate fi considerată și pentru a corecta zborul vehiculului de lansare cel puțin pe o parte a traiectoriei de zbor (și posibil în toate etapele zbor). Potenţial, acest lucru va reduce cantitatea de echipamente scumpe de la bordul unei rachete de unică folosinţă prin mutarea acesteia într-un vehicul de control „reutilizabil”.
Se poate presupune că, ținând cont de structura de susținere, elementele de legătură și sistemul de control, produsul final va putea lansa o sarcină utilă cântărind de la câteva kilograme la câteva zeci de kilograme (în funcție de numărul de module de rachete unificate în etape) în LEO și concurează cu ultraușoarele japoneze SS-520 și cu alte vehicule de lansare ultra-ușoare similare dezvoltate de companii rusești și străine.
Pentru comercializarea cu succes a proiectului, costul estimat al lansării vehiculului de lansare ultra-ușor MERA-K nu trebuie să depășească 3,5 milioane USD (acesta este costul lansării vehiculului de lansare SS-520).
Pe lângă utilizarea comercială, vehiculul de lansare MERA-K poate fi utilizat pentru lansarea de urgență a navelor spațiale militare, a căror dimensiune și greutate vor scădea, de asemenea, treptat.
De asemenea, evoluțiile obținute în timpul implementării proiectului vehiculului de lansare MERA-K pot fi folosite pentru a crea arme avansate, de exemplu, un complex hipersonic cu un focos convențional sub forma unui planor compact, care este aruncat după ce vehiculul de lansare se ridică. spre vârful traiectoriei.
informații