Завладяването на космоса се е превърнало в едно от най-важните и епохални постижения на човечеството. Създаването на ракети -носители и инфраструктурата за тяхното изстрелване изискваха огромни усилия от водещите страни по света. В наше време има тенденция да се създават напълно използваеми ракети -носители, способни да изпълняват десетки полети в космоса. Тяхното развитие и функциониране все още изисква огромни ресурси, които могат да бъдат разпределени само от държави или големи корпорации (отново с подкрепата на държавата).
В началото на XXI век усъвършенстването и миниатюризацията на електронните компоненти направи възможно създаването на сателити с малки размери (т.нар. "Микросателити" и "наносателити"), чиято маса е в диапазона от 1-100 килограма. Напоследък говорим за „пикосателити“(с тегло от 100 g до 1 kg) и „фемто спътници“(с тегло под 100 g). Такива спътници могат да бъдат изстреляни като сборни товари от различни клиенти или като преминаващ товар към "големи" космически кораби (SC). Този метод на изстрелване не винаги е удобен, тъй като производителите на наносателити (по-долу ще използваме това обозначение за всички размери на свръхмалки космически кораби) трябва да се адаптират към графика на клиентите за изстрелване на основния товар, както и поради разлики в орбитите на изстрелване.
Това доведе до появата на търсене на свръхмалки ракети-носители, способни да изстрелват космически кораби с тегло около 1-100 кг.
DARPA и КБ "МиГ"
Имаше и се разработват много проекти на свръхлеки ракети -носители - с наземно, въздушно и морско изстрелване. По-специално, американската агенция DARPA работи активно по проблема за бързото изстрелване на свръхмалки космически кораби. По-специално, може да се припомни проектът ALASA, стартиран през 2012 г., в рамките на който се планираше създаването на ракета с малък размер, предназначена за изстрелване от изтребител F-15E и изстрелване на спътници с тегло до 45 кг на ниска референтна орбита (ЛЕВ).
Ракетният двигател, инсталиран на ракетата, трябваше да работи с монопропелант NA-7, включително монопропилен, азотен оксид и ацетилен. Цената на изстрелването не трябваше да надвишава 1 милион долара. Предполага се, че именно проблемите с горивото, по -специално със спонтанното му изгаряне и склонността към експлозия, сложиха край на този проект.
Подобен проект се разработваше в Русия. През 1997 г. конструкторското бюро на МиГ, заедно с KazKosmos (Казахстан), започнаха разработването на система за изстрелване на полезен товар (PN), използвайки преобразуван прехващач MiG-31I (Ishim). Проектът е разработен въз основа на основите за създаването на антисателитна модификация на МиГ-31Д.
Тристепенната ракета, изстреляна на височина около 17 000 метра и скорост от 3000 км / ч, трябваше да осигури полезен товар с тегло 160 кг в орбита на височина 300 километра и полезен товар с тегло 120 кг в орбита на надморска височина от 600 километра.
Трудното финансово положение в Русия в края на 90 -те и началото на 2000 -те не позволи този проект да се реализира в метал, въпреки че е възможно в процеса на развитие да възникнат технически пречки.
Имаше много други проекти за свръхлеки ракети -носители. Тяхната отличителна черта може да се счита за развитието на проекти от държавни структури или големи (практически „държавни“) корпорации. Сложни и скъпи платформи като изтребители, бомбардировачи или тежки транспортни самолети често трябваше да се използват като изходни платформи.
Всичко това заедно усложнява развитието и увеличава цената на комплексите, а сега лидерството в създаването на свръхлеки ракети -носители премина в ръцете на частни компании.
Ракетна лаборатория
Един от най-успешните и известни проекти на свръхлеки ракети може да се счита за ракетата-носител "Electron" на американско-новозеландската компания Rocket Lab. Тази двустепенна ракета с маса 12,550 kg е в състояние да изстреля 250 kg PS или 150 kg PS в слънчево-синхронна орбита (SSO) с височина 500 километра в LEO. Компанията планира да изстрелва до 130 ракети годишно.
Дизайнът на ракетата е направен от въглеродни влакна; реактивни двигатели с течно гориво (LRE) се използват върху горивна двойка керосин + кислород. За да се опрости и намали цената на дизайна, той използва литиево-полимерни батерии като източник на енергия, пневматични системи за управление и система за изтласкване на гориво от резервоари, работещи на компресиран хелий. При производството на ракетни двигатели с течно гориво и други компоненти на ракетата се използват активно добавъчни технологии.
Може да се отбележи, че първата ракета от Rocket Lab е метеорологичната ракета Kosmos-1 (Atea-1 на маорския език), способна да вдигне 2 кг полезен товар на височина около 120 километра.
Lin Industrial
Руският „аналог“на Rocket Lab може да се нарече компанията „Lin Industrial“, която разработва проекти както за най -простата суборбитална ракета, способна да достигне надморска височина от 100 км, така и за ракети -носители, предназначени за извеждане на полезен товар към LEO и SSO.
Въпреки че пазарът на суборбитални ракети (предимно такива като метеорологични и геофизични ракети) е доминиран от решения с двигатели на твърдо гориво, Lin Industrial изгражда своята суборбитална ракета на базата на ракетни двигатели на течно гориво, захранвани от керосин и водороден пероксид. Най-вероятно това се дължи на факта, че Lin Industrial вижда основната си посока на развитие в търговското изстрелване на ракетата-носител в орбита, а суборбиталната ракета с течно гориво е по-вероятно да се използва за разработване на технически решения.
Основният проект на Lin Industrial е свръхлеката ракета -носител Таймир. Първоначално проектът предвижда модулно оформление с последователно паралелно подреждане на модули, което позволява формирането на ракета-носител с възможност за извеждане на полезен товар с тегло от 10 до 180 кг в LEO. Промяната в минималната маса на изстреляната ракета-носител трябваше да бъде осигурена чрез промяна на броя на универсалните ракетни единици (UBR)-URB-1, URB-2 и URB-3 и третия етап RB-2.
Двигателите на ракетата -носител Таймир трябва да работят с керосин и концентриран водороден пероксид; горивото трябва да се доставя чрез изтласкване с компресиран хелий. Очаква се дизайнът да използва широко композитни материали, включително пластмаси, подсилени с въглеродни влакна и 3D-отпечатани компоненти.
По -късно компанията Lin Industrial изоставя модулната схема - ракетата -носител се превръща в двустепенна, с последователно подреждане на стъпала, в резултат на което появата на ракетата -носител Таймир започва да наподобява външния вид на ракетата -носител Electron от Ракетна лаборатория. Също така, системата за изместване на компресиран хелий беше заменена с подаване на гориво с помощта на електрически помпи, захранвани от батерии.
Първото изстрелване на LV Taimyr е планирано за 2023 г.
IHI Aerospace
Една от най-интересните свръхлеки ракети-носители е японската тристепенна ракета с твърдо гориво SS-520, произведена от IHI Aerospace, създадена на базата на геофизичната ракета S-520 чрез добавяне на трета степен и съответно усъвършенстване на бордовите системи. Височината на ракетата SS-520 е 9,54 метра, диаметърът е 0,54 метра, стартовото тегло е 2600 кг. Масата на полезния товар, доставена на LEO, е около 4 кг.
Корпусът на първия етап е изработен от високоякостна стомана, вторият етап е изработен от композит от въглеродни влакна, обтекателят на главата е от фибростъкло. И трите етапа са твърдо гориво. Системата за управление на SS-520 LV периодично се включва в момента на разделяне на първия и втория етап, а през останалото време ракетата се стабилизира чрез въртене.
На 3 февруари 2018 г. SS-520-4 LV успешно изстреля кубик TRICOM-1R с маса 3 килограма, предназначен да демонстрира възможността за създаване на космически кораби от потребителски електронни компоненти. По време на изстрелването SS-520-4 LV беше най-малката ракета-носител в света, която е вписана в Книгата на рекордите на Гинес.
Създаването на свръхмалки ракети-носители на базата на метеорологични и геофизични ракети с твърдо гориво може да бъде доста обещаваща посока. Такива ракети са лесни за поддръжка, могат да се съхраняват дълго време в състояние, което гарантира подготовката им за изстрелване в най -кратки срокове.
Цената на ракетния двигател може да бъде около 50% от цената на ракетата и е малко вероятно да бъде възможно да се достигне цифра под 30%, дори като се вземе предвид използването на адитивни технологии. В ракети-носители с твърдо гориво не се използва криогенен окислител, което изисква специални условия за съхранение и зареждане с гориво непосредствено преди изстрелването. В същото време за производството на твърдо горивни заряди се разработват и адитивни технологии, които позволяват „отпечатване“на горивни зареждания с необходимата конфигурация.
Компактните размери на свръхлеките ракети -носители опростяват транспортирането им и позволяват изстрелване от различни точки на планетата, за да се получи необходимия орбитален наклон. За свръхлеки ракети -носители се изисква много по -опростена платформа за изстрелване, отколкото за „големи“ракети, което я прави мобилна.
Има ли проекти на такива ракети в Русия и на каква основа те могат да бъдат реализирани?
В СССР е произведен значителен брой метеорологични ракети-MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR -20 и геофизични ракети-R-1A, R-1B, R-1V, R-1E, R-1D, R-2A, R-11A, R-5A, R-5B, R-5V, "вертикални", K65UP, MR-12, MR-20, MN-300, 1Ya2TA. Много от тези проекти се основават на военни разработки в областта на балистичните ракети или противоракетни ракети. През годините на активно проучване на горните слоеве на атмосферата броят на изстрелванията достига 600-700 ракети годишно.
След разпадането на СССР броят на изстрелванията и типовете ракети е коренно намален. В момента Росхидромет използва два комплекса-MR-30 с ракетата MN-300, разработена от NPO Typhoon / OKB Novator и метеорологичната ракета MERA, разработена от KBP JSC.
MR-30 (MN-300)
Ракетата на комплекса MR-30 осигурява повдигане на 50-150 кг научно оборудване на височина 300 километра. Дължината на ракетата MN-300 е 8012 мм с диаметър 445 мм, стартовото тегло е 1558 кг. Цената на едно изстрелване на ракетата MN-300 се оценява на 55-60 милиона рубли.
Въз основа на ракетата MN-300 се обмисля възможността за създаване на свръх малка ракета-носител IR-300 чрез добавяне на втори етап и горен етап (всъщност трети етап). Тоест всъщност се предлага да се повтори доста успешният опит с внедряването на японската свръхлека ракета-носител SS-520.
В същото време някои експерти изразяват мнението, че тъй като максималната скорост на ракетата MN-300 е около 2000 m / s, тогава за да се получи първата космическа скорост от около 8000 m / s, което е необходимо за поставяне на ракетата-носител в орбита, може да се наложи твърде сериозно преразглеждане на първоначалния проект., което по същество е разработването на нов продукт, което може да доведе до увеличаване на разходите за изстрелване с почти порядък и да го направи нерентабилен в сравнение с конкурентите.
МЕРКА
Метеорологичната ракета MERA е проектирана да вдига полезен товар с тегло 2-3 кг на височина 110 километра. Масата на ракетата MERA е 67 кг.
На пръв поглед метеорологичната ракета MERA е абсолютно неподходяща за използване като основа за създаване на свръхлека ракета -носител, но в същото време има някои нюанси, които дават възможност да се оспори тази гледна точка.
Метеорологичната ракета MERA е двустепенен бикалибър и само първият етап изпълнява ускорителната функция, вторият-след разделяне, лети по инерция, което прави този комплекс подобен на зенитните управляеми ракети (ЗРК) на Тунгуска и Зенитно-ракетни и оръдейни комплекси Панцир (ЗРПК). Всъщност на базата на ракети за ракетните системи за ПВО на тези комплекси е създадена метеорологичната ракета MERA.
Първият етап е съставно тяло с твърдо гориво, поставено в него. За 2,5 секунди първият етап ускорява метеорологичната ракета до скорост 5M (скорости на звука), което е около 1500 m / s. Диаметърът на първия етап е 170 мм.
Първият етап на метеорологичната ракета MERA, направен чрез навиване на композитен материал, е изключително лек (в сравнение със стоманени и алуминиеви конструкции с подобни размери) - теглото му е само 55 кг. Също така цената му трябва да бъде значително по -ниска от решенията, направени от въглеродни влакна.
Въз основа на това може да се предположи, че на базата на първия етап на метеорологичната ракета MERA може да се разработи унифициран ракетен модул (URM), предназначен за партидно формиране на етапи на свръхлеки ракети -носители
Всъщност ще има два такива модула, те ще се различават по дюзата на ракетен двигател, оптимизирана съответно за работа в атмосфера или във вакуум. В момента максималният диаметър на корпусите, произведени от JSC KBP по метода на навиване, се предполага, че е 220 mm. Възможно е да има техническа възможност за производство на композитни корпуси с по -голям диаметър и дължина.
От друга страна, възможно е оптималното решение да бъде производството на корпуси, чийто размер ще бъде унифициран с всякакви боеприпаси за противоракетната система за противовъздушна отбрана „Панцир“, управляеми ракети от комплекса „Хермес“или метеорологични ракети МЕРА, които ще намаляване на цената на един продукт чрез увеличаване на обема на серийно пускане на същия тип продукти.
Етапите на ракетата -носител трябва да бъдат наети от URM, закрепени успоредно, докато разделянето на етапите ще се извършва напречно - надлъжното разделяне на URM в етапа не е предвидено. Може да се предположи, че етапите на такава ракета -носител ще имат голяма паразитна маса в сравнение с моноблоково тяло с по -голям диаметър. Това отчасти е вярно, но ниското тегло на кутията, изработена от композитни материали, дава възможност до голяма степен да се изравни този недостатък. Може да се окаже, че корпус с голям диаметър, направен по подобна технология, ще бъде много по-труден и скъп за производство, а стените му ще трябва да бъдат направени много по-дебели, за да се осигури необходимата твърдост на конструкцията, отколкото тази на свързаните URM чрез пакет, така че в крайна сметка да има много моноблок и пакетните решения ще бъдат сравними при по -ниска цена на последното. И е много вероятно стоманеният или алуминиевият моноблок да бъде по -тежък от пакетирания композитен.
Паралелно свързване на URM може да се извърши с помощта на плоски композитни фрезовани елементи, разположени в горната и долната част на стъпалото (в точките на стесняване на тялото на URM). Ако е необходимо, могат да се използват допълнителни замазки от композитни материали. За да се намалят разходите по конструкцията, технологичните и евтини промишлени материали, лепилата с висока якост трябва да се използват колкото е възможно повече.
По същия начин нискостепенните нива могат да бъдат свързани помежду си чрез композитни тръбни или подсилващи елементи, а конструкцията може да бъде неразделима, когато етапите са разделени, носещите елементи могат да бъдат разрушени от пиро заряди по контролиран начин. Освен това, за да се увеличи надеждността, пиро зарядите могат да бъдат разположени в няколко последователно разположени точки на носещата конструкция и да се инициират както чрез електрическо запалване, така и чрез директно запалване от пламъка на двигателите от по -високата степен, когато са включени (за стрелба долният етап, ако електрическото запалване не работи).
Ракетата-носител може да се управлява по същия начин, както това се прави с японската свръхлека ракета-носител SS-520. Възможността за инсталиране на система за управление на радио командване, подобна на тази, инсталирана на ракетната система за противовъздушна отбрана „Панцир“, също може да се счита за коригиране на изстрелването на ракетата -носител поне на част от траекторията на полета (и евентуално на всички етапи на Полетът). Потенциално това ще намали количеството скъпо оборудване на борда на ракета за еднократна употреба, като я пренесе до „превозно средство за многократна употреба“.
Може да се предположи, че като се вземат предвид носещата конструкция, свързващите елементи и системата за управление, крайният продукт ще може да достави полезен товар с тегло от няколко килограма до няколко десетки килограма на LEO (в зависимост от броя на унифицираните ракетни модули) на етапите) и да се конкурират с японските свръхлеки SS-LV.520 и други подобни свръхлеки ракети-носители, разработени от руски и чуждестранни компании.
За успешната комерсиализация на проекта прогнозните разходи за изстрелване на свръхлеката ракета-носител MERA-K не трябва да надвишават $ 3,5 милиона (това са разходите за изстрелване на ракетата-носител SS-520).
В допълнение към търговските приложения ракетата-носител MERA-K може да се използва за аварийно изтегляне на военни космически кораби, чийто размер и тегло също постепенно ще намаляват.
Също така разработките, получени по време на внедряването на ракетата-носител MERA-K, могат да се използват за създаване на модерни оръжия, например хиперзвуков комплекс с конвенционална бойна глава под формата на компактен планер, който се изпуска след изстрелването на ракетата превозно средство до горната точка на траекторията.
