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 au necesitat eforturi uriașe din partea țărilor de frunte ale lumii. În timpul nostru, există tendința de a crea vehicule de lansare complet reutilizabile capabile să efectueze zeci de zboruri în spațiu. Dezvoltarea și funcționarea lor necesită încă resurse uriașe, care pot fi alocate doar de state sau de mari corporații (din nou, cu sprijinul statului).
La începutul secolului XXI, îmbunătățirea și miniaturizarea componentelor electronice a făcut posibilă crearea sateliților de dimensiuni mici (așa-numiții „microsateliți” și „nanosateliți”), a căror masă este cuprinsă între 1 și 100 kg. Recent, vorbim despre „picosateliți” (cântărind de la 100 g la 1 kg) și „femto sateliți” (cântărind mai puțin de 100 g). Astfel de sateliți pot fi lansați ca grupaj de marfă de la diferiți clienți sau ca o încărcătură de trecere către nava spațială „mare” (SC). Această metodă de lansare nu este întotdeauna convenabilă, deoarece producătorii de nanosateliți (în cele ce urmează vom folosi această denumire pentru toate dimensiunile navei spațiale ultra-mici) trebuie să se adapteze la programul clienților pentru lansarea încărcăturii principale, precum și datorită diferențele în orbitele de lansare.
Acest lucru a dus la apariția cererii de vehicule de lansare ultra-mici capabile să lanseze nave spațiale cu greutatea de aproximativ 1-100 kg.
DARPA și KB „MiG”
Au existat și se dezvoltă numeroase proiecte de vehicule de lansare ultraligere - cu lansare la sol, aer și mare. În special, agenția americană DARPA lucra activ la problema lansării rapide a navei spațiale ultra-mici. În special, ne putem aminti proiectul ALASA, lansat în 2012, în cadrul căruia a fost planificată crearea unei rachete de dimensiuni mici concepute pentru a lansa de la un luptător F-15E și a lansa sateliți cu o greutate de până la 45 kg pe orbită joasă de referință. (LEU).
Motorul de rachetă instalat pe rachetă trebuia să funcționeze pe monopropelent NA-7, inclusiv monopropilenă, oxid de azot și acetilenă. Costul lansării nu a depășit 1 milion de dolari. Probabil, problemele cu combustibilul, în special cu combustia sa spontană și tendința de explozie, au pus capăt acestui proiect.
Un proiect similar a fost elaborat în Rusia. În 1997, biroul de proiectare MiG, împreună cu KazKosmos (Kazahstan), au început să dezvolte un sistem de lansare a sarcinii utile (PN) folosind un interceptor MiG-31I convertit (Ishim). Proiectul a fost dezvoltat pe baza bazelor pentru crearea unei modificări antisatelite a MiG-31D.
Racheta în trei etape, lansată la o altitudine de aproximativ 17.000 de metri și o viteză de 3.000 km / h, trebuia să asigure o sarcină utilă de 160 kg pe orbită la o altitudine de 300 de kilometri și o sarcină utilă de 120 kg pe o orbită la o altitudine de 600 de kilometri.
Situația financiară dificilă din Rusia de la sfârșitul anilor 90 și începutul anilor 2000 nu a permis realizarea acestui proiect în metal, deși este posibil să apară obstacole tehnice în procesul de dezvoltare.
Au existat multe alte proiecte de vehicule de lansare ultraligere. Trăsătura lor distinctivă poate fi considerată dezvoltarea de proiecte de către structuri de stat sau corporații mari (practic „de stat”). Platforme complexe și costisitoare, cum ar fi avioanele de luptă, bombardierele sau avioanele de transport greu, trebuiau adesea utilizate ca platforme de lansare.
Toate acestea împreună au complicat dezvoltarea și au crescut costurile complexelor, iar acum conducerea în crearea vehiculelor de lansare ultraligere a trecut în mâinile companiilor private.
Laboratorul de rachete
Unul dintre cele mai reușite și mai cunoscute proiecte de rachete ultra-ușoare poate fi considerat vehiculul de lansare „Electron” al companiei americano-neozelandeze Rocket Lab. Această rachetă în două etape, cu o masă de 12.550 kg, este capabilă să lanseze 250 kg de PS sau 150 kg de PS pe o orbită sincronă solară (SSO) cu o altitudine de 500 de kilometri în LEO. Compania intenționează să lanseze până la 130 de rachete pe an.
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, utilizează baterii litiu-polimer ca sursă de alimentare, sisteme de control pneumatic și un sistem de deplasare a combustibilului din rezervoare, care funcționează pe heliu comprimat. La fabricarea motoarelor cu rachete cu propulsie lichidă și a altor componente pentru rachete, tehnologiile aditive sunt utilizate în mod activ.
Se poate observa că prima rachetă de la Rocket Lab a fost racheta meteorologică Kosmos-1 (Atea-1 în limba maori), capabilă să ridice 2 kg de sarcină utilă la o altitudine de aproximativ 120 de kilometri.
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 să lanseze vehicule concepute pentru a produce sarcini utile către LEO și SSO.
Deși piața rachetelor suborbitale (în principal, cum ar fi rachetele meteorologice și geofizice) este dominată de soluții cu motoare cu combustibil solid, Lin Industrial își construiește racheta suborbitală pe baza motoarelor rachete cu combustibil lichid alimentate cu kerosen și peroxid de hidrogen. Cel mai probabil, acest lucru se datorează faptului că Lin Industrial vede direcția sa principală de dezvoltare în lansarea comercială a vehiculului de lansare pe orbită, iar racheta suborbitală cu combustibil lichid este mai probabil utilizată pentru a dezvolta soluții tehnice.
Principalul proiect al Lin Industrial este vehiculul de lansare ultraliger Taimyr. Inițial, proiectul prevedea o dispunere modulară cu un aranjament serie-paralelă de module, care permite formarea unui vehicul de lansare cu posibilitatea de a scoate o sarcină utilă cântărind de la 10 la 180 kg la LEO. Schimbarea masei minime a vehiculului de lansare lansat urma să fie asigurată prin schimbarea numărului de unități universale de rachete (UBR) - URB-1, URB-2 și URB-3 și a treia etapă a rachetei RB-2.
Motoarele vehiculului de lansare Taimyr trebuie să funcționeze pe kerosen și peroxid de hidrogen concentrat; combustibilul trebuie furnizat prin deplasarea cu heliu comprimat. Se așteaptă ca proiectarea să utilizeze pe scară largă materiale compozite, inclusiv materiale plastice armate cu fibră de carbon și componente tipărite 3D.
Mai târziu, compania Lin Industrial a abandonat schema modulară - vehiculul de lansare a devenit în două etape, cu o dispunere secvențială a treptelor, ca urmare a faptului că apariția vehiculului de lansare Taimyr a început să semene cu aspectul vehiculului de lansare Electron de către Laboratorul de rachete. De asemenea, sistemul de deplasare pe heliu comprimat a fost înlocuit cu alimentarea cu combustibil folosind pompe electrice alimentate cu baterii.
Prima lansare a Taimyr LV este planificată pentru 2023.
IHI Aerospace
Unul dintre cele mai interesante vehicule de lansare ultraligere este racheta japoneză cu trei etape SS-520 cu propulsie solidă fabricată de IHI Aerospace, creată pe baza rachetei geofizice S-520 prin adăugarea unei a treia etape și rafinarea corespunzătoare a sistemelor de la bord. Înălțimea rachetei SS-520 este de 9,54 metri, diametrul este de 0,54 metri, greutatea de lansare este de 2600 kg. Greutatea utilă livrată către LEO este de aproximativ 4 kg.
Corpul primei etape este realizat din oțel de înaltă rezistență, al doilea stadiu este compus din fibră de carbon, carenajul capului este realizat din fibră de sticlă. Toate cele trei etape sunt combustibil solid. Sistemul de control al SS-520 LV este pornit periodic în momentul separării primei și celei de-a doua etape, iar restul timpului racheta este stabilizată prin rotație.
Pe 3 februarie 2018, SS-520-4 LV a lansat cu succes un cubicat TRICOM-1R cu o masă 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 LV era cel mai mic vehicul de lansare din lume, care este înregistrat în Cartea Recordurilor Guinness.
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 ușor de întreținut, pot fi depozitate mult timp într-o stare care să le asigure pregătirea pentru lansare în cel mai scurt timp posibil.
Costul unui motor de rachetă poate fi de aproximativ 50% din costul unei rachete și este puțin probabil să fie posibil să se atingă o cifră mai mică de 30%, chiar ținând cont de utilizarea tehnologiilor aditive. La vehiculele de lansare cu combustibil solid, nu se utilizează un oxidant criogen, care necesită condiții speciale de depozitare și realimentare imediat înainte de lansare. În același timp, pentru fabricarea încărcăturilor de combustibil solid, sunt dezvoltate și tehnologii aditive care permit „imprimarea” taxelor de combustibil conform configurației necesare.
Dimensiunile compacte ale vehiculelor de lansare ultraligere simplifică transportul și permit lansarea din diferite puncte ale planetei pentru a obține înclinația orbitală necesară. Pentru vehiculele de lansare ultraligere, este necesară o platformă de lansare mult mai simplă decât pentru rachetele „mari”, ceea ce îl face mobil.
Există proiecte de astfel de rachete în Rusia și pe ce bază pot fi puse în aplicare?
În URSS, au fost produse un număr semnificativ de rachete meteorologice - MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR -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, MR-20, MN-300, 1Ya2TA. Multe dintre aceste modele s-au bazat pe evoluțiile 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.
După prăbușirea URSS, numărul lansărilor și tipurilor de rachete a fost redus radical. În prezent, Roshydromet folosește două complexe - MR-30 cu racheta MN-300 dezvoltată de NPO Typhoon / OKB Novator și racheta meteorologică MERA dezvoltată de KBP JSC.
MR-30 (MN-300)
Racheta complexului MR-30 asigură ridicarea a 50-150 kg de echipament științific la o altitudine de 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 milioane de ruble.
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 etape superioare (de fapt, a treia etapă). Adică, de fapt, se propune repetarea experienței destul de reușite a implementării vehiculului de lansare ultraliger japonez SS-520.
În același timp, unii experți își exprimă opinia că, deoarece viteza maximă a rachetei MN-300 este de aproximativ 2000 m / s, atunci pentru a obține prima viteză cosmică de aproximativ 8000 m / s, care este necesară pentru a pune vehiculul de lansare pe orbită, poate necesita o revizuire prea serioasă a proiectului inițial., care este în esență dezvoltarea unui nou produs, care poate duce la o creștere a costului de lansare cu aproape un ordin de mărime și îl poate face neprofitabil în comparație cu concurenții.
MĂSURA
Racheta meteorologică MERA este concepută pentru a ridica o sarcină utilă de 2-3 kg la o altitudine de 110 kilometri. Masa rachetei MERA este de 67 kg.
La prima vedere, racheta meteorologică MERA este absolut nepotrivită pentru utilizare ca bază pentru crearea unui vehicul de lansare ultraliger, dar în același timp, există câteva nuanțe care fac posibilă contestarea acestui punct de vedere.
Racheta meteorologică MERA este un bicaliber în două etape și numai prima etapă îndeplinește funcția de accelerație, a doua - după separare, zboară prin inerție, ceea ce face acest complex similar cu rachetele ghidate antiaeriene (SAM) ale Tunguska și Complexe de rachete și tunuri antiaeriene Pantsir (ZRPK). De fapt, pe baza rachetelor pentru sistemele de rachete de apărare aeriană ale acestor complexe, a fost creată racheta meteorologică MERA.
Prima etapă este un corp compozit cu o încărcătură solidă de propulsor plasată în el. În 2,5 secunde, prima etapă accelerează racheta meteorologică la o viteză de 5M (viteze ale sunetului), care este de aproximativ 1500 m / s. Diametrul primei trepte este de 170 mm.
Prima etapă a rachetei meteorologice MERA, realizată prin înfășurarea unui material compozit, este extrem de ușoară (în comparație cu structurile din oțel și aluminiu de dimensiuni similare) - greutatea sa este de numai 55 kg. De asemenea, costul său ar trebui să fie semnificativ mai mic decât soluțiile realizate 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), conceput pentru formarea în serie a etapelor vehiculelor de lansare ultraligere
De fapt, vor exista două astfel de module, acestea vor diferi în duza unui motor rachetă, optimizat, respectiv, pentru funcționarea în atmosferă sau în vid. În acest moment, diametrul maxim al carcasei fabricate de JSC KBP prin metoda înfășurării este de 220 mm. Este posibil să existe o fezabilitate tehnică a fabricării carcaselor compozite cu diametru și lungime mai mari.
Pe de altă parte, este posibil ca soluția optimă să fie fabricarea de carene, a căror dimensiune va fi unită cu orice muniție pentru sistemul de rachete de apărare aeriană Pantsir, rachete ghidate ale complexului Hermes sau rachete meteorologice MERA, care vor fi reduce costul unui singur produs prin creșterea volumului de lansare în serie a aceluiași tip de produse.
Etapele vehiculului de lansare ar trebui recrutate din URM, fixate în paralel, în timp ce separarea etapelor se va face 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 parazitară mare în comparație cu un corp monobloc cu un diametru mai mare. Acest lucru este parțial adevărat, dar greutatea redusă a carcasei din materiale compozite face posibilă nivelarea în mare măsură a acestui dezavantaj. Se poate dovedi că o carcasă cu diametru mare, realizată utilizând o tehnologie similară, va fi mult mai dificilă și mai costisitoare de fabricat, iar pereții săi vor trebui să fie mult mai groși pentru a asigura rigiditatea necesară a structurii decât cea a URM-urilor conectate de un pachet, astfel încât, în cele din urmă, există o mulțime de monobloc și soluțiile de pachet vor fi comparabile la un cost mai mic al acestuia. Și este foarte probabil ca o carcasă monobloc din oțel sau aluminiu să fie mai grea decât una din compozit ambalat.
Conexiunea în paralel a URM poate fi realizată folosind elemente plane frezate compozite situate în părțile superioare și inferioare ale treptei (în punctele de îngustare a corpului URM). Dacă este necesar, pot fi utilizate șape suplimentare din materiale compozite. Pentru a reduce costul structurii, materialelor tehnologice și industriale ieftine, ar trebui să se utilizeze adezivi de înaltă rezistență cât mai mult posibil.
În mod similar, treptele LV pot fi interconectate prin elemente compozite tubulare sau de armare, iar structura poate fi nedespărțită, atunci când treptele sunt separate, elementele portante pot fi distruse prin încărcări piro într-un mod controlat. Mai mult, pentru a crește fiabilitatea, încărcăturile piro pot fi amplasate în mai multe puncte situate secvențial ale structurii de susținere și pot fi inițiate atât prin aprindere electrică, cât și prin aprindere directă de la flacăra motoarelor din stadiul superior, atunci când sunt pornite (pentru fotografiere treapta inferioară dacă contactul electric nu a funcționat).
Vehiculul de lansare poate fi controlat în același mod în care se face pe vehiculul de lansare ultraliger japonez SS-520. Opțiunea de instalare a unui sistem de comandă radio, similară cu cea instalată pe sistemul de rachete de apărare antiaeriană Pantsir, poate fi, de asemenea, considerată pentru a corecta lansarea vehiculului de lansare cel puțin pe o parte a traiectoriei zborului (și, eventual, în toate etapele zborul). Potențial, acest lucru va reduce cantitatea de echipament scump la bordul unei rachete de unică folosință, transportându-l la un vehicul de control „reutilizabil”.
Se poate presupune că, luând în considerare structura de susținere, elementele de conectare și sistemul de control, produsul final va putea livra o sarcină utilă cântărind de la câteva kilograme la câteva zeci de kilograme către LEO (în funcție de numărul de module rachetă unificate) în etape) și concurați cu ultralight-ul japonez SS-LV.520 și cu alte vehicule de lansare ultralight similare dezvoltate de companii rusești și străine.
Pentru comercializarea cu succes a proiectului, costul estimat al lansării vehiculului de lansare ultraliger MERA-K nu trebuie să depășească 3,5 milioane de dolari (acesta este costul de lansare pentru vehiculul de lansare SS-520).
În plus față de aplicațiile comerciale, vehiculul de lansare MERA-K poate fi utilizat pentru retragerea de urgență a navelor spațiale militare, a căror dimensiune și greutate vor scădea treptat.
De asemenea, evoluțiile obținute în timpul implementării 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 abandonat după lansarea lansării vehicul până la punctul superior al traiectoriei.
