Перспективы проектирования и производства малобюджетных ракет-носителей

Для лучшего понимания новых перспектив в проектировании и производстве ракет-носителей, а также их возможностей и вариантов применения для начала необходимо рассмотреть классификацию орбит спутников и ракет-носителей. Орбиты спутников бывают: LEO – низкая околоземная орбита (высотой 200–500 км), MPO – средневысокая полярная орбита (высотой 500–1000 км), GTO – геосинхронная переходная орбита (200 км в перигее, 36 000 км в апогее), GSO - геосинхронная орбита (высотой 36 000 км), классы ракет-носителей могут быть представлены следующим образом: Нано, <10 кг ПН на LEO; Микро, 10–200 кг ПН на LEO; Мини, 200–500 кг ПН на LEO, 100–250 кг на GTO/MPO, Миди, 1000–2000 кг ПН на LEO, 500–1000 кг на GTO/MPO; Макси, 5000–10 000 кг ПН на LEO, 2500–5000 кг на GTO/MPO. Стоит отметить, что в состав ПН на GTO входит двигатель, включаемый в апогее (обычно около 50 % от общей массы ПН), и собственно сам спутник.

В настоящее время эксплуатируются несколько ракет-носителей, принципы построения и опыт работы которых совершенно различны. Все эти системы можно условно поделить на следующие группы:

• -    космические транспортные системы многократного применения (Space Shuttle);

• -    ракетно-космические транспортные системы однократного применения (Atlas, Titan, Soyuz, Proton, Rockot, Long March и т.д.);

• -    первые ракетно-космические системы однократного применения (Ariane, Taurus, Minotaure, Pegasus, Scorpius и т.д.).

Проанализируем существующие системы.

Системы многократного применения. До сегодняшнего дня формально существовала только одна космическая система выведения на орбиту – Space Shuttle. По завершении этой программы можно было сделать следующие выводы: у программы есть серьезные проблемы (аварийное прекращение полетов «Columbia» - во время вхождения в атмосферу, и «Challenger» – на участке выведения, оба происшествия привели к полной ликвидации кораблей и смерти астронавтов на борту). Первой и основной целью программы, еще не достигнутой на тот момент, было созда- ние Космической системы транспортировки многократного применения, главным образом для того, чтобы уменьшить цену за массу ПН на орбите. Однако из-за непомерно дорогой стоимости ракеты-носителя, произведенной с использованием сложной современной технологии (изначально планировалось обеспечить ресурс в 50-100 полетов), и еще более дорогой эксплуатации и технического обслуживания цена за полет возросла до 540 млн долл. (установленная минимальная цена составляла 22 000 долл. за 1 кг на LEO). После того как «второй» срок эксплуатации (второй важной целью было обеспечить ресурс в 50 полетов), входящий в состав стоимости за полет, не был достигнут, цену действительно нельзя было назвать реалистичной.

Ракетно-космические транспортные системы однократного применения. Большинство существующих космических систем запуска основаны на системах IRBM (баллистическая ракета средней дальности) и ICBM (межконтинентальная баллистическая ракета), разработки которых проводились с конца 50-х – начала 70-х годов XX века (как R- 7, UR- 700, R 13 в СССР/России и Thor , Atlas и Titan в США). Эти системы были разработаны в период холодной войны по самому последнему слову техники, которая была доступна на тот момент, независимо от затрат, которые в то время считались наименее важным фактором при проектировании космической системы.

Первые ракетно-космические системы однократного применения. Лишь несколько спутниковых средств выведения считаются первыми, без непосредственного отношения к каким-либо проектам ракетной техники:

• -    семейство Ariane (ракета-носитель Европейского космического агентства, разработанная CNES), которое включает в свой состав 5 основных моделей с множеством разновидностей;

• -    семейство H 2 A от японских конструкторов;

• -    семейство Long March , разработанное в Китае в рамках правительственных проектов, самой последней моделью этого семейства считается Long March- 3;

  
  

• -    компания Orbital является единственной в своем роде, она разработала свою крылатую ракету Pegasus, в состав платформы которой входил бомбардировщик. Другие две ракеты Taurus и Minotaur находятся в стадии разработки, являясь собственной инициативой компании.

Среди этих групп следует выделить особую подгруппу, в которую входят частные компании (без поддержки со стороны государства), участвующие в процессе исследова- ³⁸ ний и разработок концептов малобюджетных спутниковых ракет-носителей. Основные усилия направлены на разработку нетоксичных (экологически чистых) компонентов топлива, на уменьшение технологии при производстве двигателей однократного применения, на целесообразное производство элементов конструкции и на разработку современных управляемых инерциальных навигационных систем (AINS). Следующие разработки считаются самыми многообещающими и интересными.

• -    Компания Microcosm в настоящее время разрабатывает полный комплект семейства ракет-носителей Scorpius на основе недорогих компонентов. Их идея заключается в создании малобюджетных ракет-носителей для различных ПН, но в основе всех этих средств выведения должна лежать

однотипная схема блока коррекции (на основе абляционного жидкостного ракетного двигателя, нагнетающего керосин или жидкий кислород) и однотипные схемы построения.

• -    Rocket Propulsion Engineering Company (Компания по разработке ракетных двигателей) в настоящий момент разрабатывает два небольших малобюджетных средства выведения LV- 1 и LV- 2 семейства Prospect ; в основе построения лежит двигатель с насосной подачей топлива, которое состоит из смеси перекиси водорода и керосина; при проектировании двигателя сведено к минимуму использование технологии.

• -    SpaceX в настоящее время разрабатывает семейство Falcon, в состав которого входят Falcon-1, Falcon-5 и Falcon-9.

Технические характеристики и стоимость вышеупомянутых систем представлены в табл. 1.

На основе данной таблицы можно сделать вывод, что стоимость рабочих характеристик является неоправданно высокой для большинства западных систем ($7,000–25,000 за кг ПН на LEO) независимо от их разновидности (ракетно-космические системы или баллистические ракеты), в то время как действительная цена за 1 кг массы на ракете-носителе

Таблица 1

Технические характеристики и стоимость малобюджетных космических систем однократного применения и первых ракетно-космических систем однократного применения [1]

Ракетно-космические системы однократного применения
Основной подрядчик	Boeing	Boeing	Lockheed	Martin	Krunicev	Energia	Krunicev	Kosmotrans
Название	Delta-II 7920	Delta-II 7925	Atlas-IIA	Titan-IV	Proton K	Soyuz	Strela	Dnepr-M
На основе ракет	Thor	Thor	Atlas	Titan-II	UR-200	R-7	RS-18	RS-20
Кол-во ступеней	B+2	B+2	B+2	B+3	3	B+2	3
Общая длина, м	38.900	38.900	47.400	55.900	44.3+	42.500
Общая масса, кг	226488	228705	230376	911980	669020	298300	107982	268300
Масса ПН на LEO, кг	5139	5650	8618	17690	19760	7000	1850	4500
Масса ПН на GTO, кг	1350	1869	3720	5760	4350	4000		1200
Цена, млн	$49	$55	$110	$435	$36	$17	$12	$13
Цена за 1 кг	$216.35	$240.48	$477.48	$476.98	$53.81	$58.00	$111.13	$48.45
Цена за 1 кг ПН	$9 , 534.93	$9 , 734.51	$12 , 763.98	$24 , 590.16	$1 , 821.86	$2 , 471.43	$6 , 486.49	$2 , 888.89

(за исключением топлива, которое является достаточно недорогим, несколько долларов за 1 кг) находится в пределах $6,000–15,000. В состав ракет входят такие дорогостоящие приборы, как гироскопы (стоимостью в пределах $25,000–50,000 за 1 кг), которые являются частью оборудования наведения и управления, хотя в большинстве своем представляют собой относительно простые сосуды высоко- го давления. На графике (рис. 1) представлен краткий обзор цен ПН на LEO/GTO.

Несмотря на то, что уже существуют некоторые индивидуальные наработки по альтернативному проектированию и производству ракет-носителей, все еще есть место для новых разработок.

Принимая во внимание закон Августина, который утверждает, что последние 10 % про-

Окончание табл. 1

Первые космические системы однократного применения

Основной подрядчик	CNES	NASDA	Great Wall Co.	Orbital	Orbital	Orbital
Название	Ariane-5	H2A-202	Long March 3	Taurus	Minotaur	Pegasus
На основе ракеты	–	–	–	–	–
Кол-во ступеней	B+2	B+2	3	4	4	3
Кол-во боковых ускорителей	2	2
Общий диаметр, м	3.000	2.500	3.350	2.360	1.661	1.250
Общая длина, м					19.1516
Общая масса, кг	180900	133200	200500	71254	0	22871
Масса ПН на LEO, кг	18000	10500	5000	1380	550	369
Масса ПН на GTO, кг	6800	4000	1500	448
Цена, млн	$118	$157	$39	$24	$14	$13
Цена за 1 кг	$652.29	$1,178.68	$194.51	$336.82		$581.52
Цена за 1 кг ПН	$6 , 555.56	$14 , 952.38	$7 , 800.00	$17 , 391.30	$25 , 454.55	$36 , 043.36

Малобюджетные космические системы однократного применения (в разработке)

Основной подрядчик RocketProp RocketProp Scorpios Scorpios Scorpios Scorpios S.E.T. Название Prospect LV1 Prospect LV2 Sprite Antares Exodus Freighter Falcon-1 На основе ракеты Кол-во ступеней 2 2 3 3 3 3 Кол-во боковых ускорителей Общий диаметр, м 1,200 3,353 Общая длина, м 15,545 15,850 Общая масса, кг 9900 39600 41050 130665 Масса ПН на LEO, кг 190 816 317 2948 6800 22675 1224 Масса ПН на GTO, кг 100 400 Цена, млн $2.500 $7.500 $2.000 $6.690 $12.500 $28.000 $12.0 Цена за 1 кг $252.53 $189.39 $48.72 $92 Цена за 1 кг ПН $13,125.43 $9, 187.80 $6,300.20 $2,269.53 $1,838.24 $1,234.84 $9, 808 изводительности составляют 30 % стоимости на разработку и 50 % проблем, можно сделать вывод: оптимальная стоимость на ракету-носитель подразумевает разумное использование технологии, при этом обеспечивая самые лучшие рабочие характеристики. Иными словами: вместо того, чтобы улучшать технологию, процесс проектирования ракет-носителей должен быть более направлен на экономическую сторону проекта, то есть необходимо выбирать технологию исходя из того, чтобы 40 получить достаточно высокую производи-

Price per kg of payload in orbit – стоимость за 1 кг полезной нагрузки на орбите

Western – стоимость на Западе

Legend – легенда:

GTO – геосинхронная переходная орбита

LEO – низкая околоземная орбита

Low-cost – низкая стоимость

Russian – стоимость в России

Eastern – стоимость на Востоке

Рис. 1. Краткий обзор стоимости на ПН на LEO/GTO тельность, но не настолько высокую, чтобы это значительно повлияло на стоимость продукции.

Существуют следующие перспективы в проектировании и производстве ракет-носителей:

• 1.    Оптимизация всех решений в проектировании и производстве для получения самой низкой стоимости за 1 кг на орбите.

• 2.    Применение по максимуму всех доступных, с точки зрения стоимости, материалов.

• 3.    Применение по максимуму существующих технологий.

• 4.    Применение недорогих экологически чистых компонентов топлива, не требующих сложного процесса технического обслуживания.

• 5.    Простой ракетный двигатель с аблятивным или радиационным охлаждением, простая форсунка (с штифтовым распылителем или центробежным насосом), система подачи топлива под давлением или с насосом без поршня.

• 6.    Объединение системы наведения Инерциальной навигационной системы (INS) и Глобальной системы местоопределения (GPS) в одну систему, таким образом, обеспечивая минимальную стоимость системы наведения.

• 7.    Применив, с учетом процесса проектирования, более простые операции по сборке, транспортировке, подготовке к старту и запуску, а также слежению и сбору телеметрии, можно было бы получить следующие классы ракет-носителей (см. рис. 2):

• -    миниатюрный ( мини ) – класс ракет-носителей, который способен вывести 200–500 кг ПН на LEO или 150–250 кг ПН на GTO/MPO;

• -    средний ( миди ) – класс ракет-носителей, который способен вывести 1000–2000 кг ПН на LEO или 500–1000 кг ПН на GTO/ MPO;

• -    максимальный ( макси ) – класс ракет-носителей, который способен вывести 5000–10 000 кг ПН на LEO или 2500– 5000 кг на GTO/MPO.

На рис. 2 представлено общее направление тщательно продуманного построения, которое могло бы быть реализовано путем минимизации количества различных комплектующих через построение нескольких модулей (ступеней) с минимальным количеством различных ракетных двигателей (каждый в двух вариантах – оптимизированный над уровнем моря и для вакуума, но по однотипной технологии, концепту и принципам проектирования). Например, для базового двигателя класса мини предпочтительно иметь приблизительное значение тяги 50 kN над уровнем моря или 60 kN для работы в вакууме. Для класса миди эти значения соответствовали бы 200 kN (над уровнем моря)/240 kN (при вакууме), а для класса макси было бы 1000 kN (над уровнем моря)/ 1200 kN (при вакууме), все имеют 4-камерное построение, упрощенное шарнирное закрепление для управления вектором тяги. Эти модули можно объединить вместе на первых ступенях для минимизации количества различных подсистем, а также улучшения и упрощения целостности конструкции.

Наличие 6 модулей обеспечило бы лучшую комплектацию и лучшую целостность конструкции, то естьпервая ступень могла бы иметь связку из 6 базовых модулей, установленных вокруг основной части ракеты, представляющую вторую и третью ступени. Применение этого метода уменьшило бы размер средства выведения, упростило бы процесс его транспортировки и такелажных работ.

Можно применить следующие принципы для улучшения компонентов топлива:

• -    применение нетоксичных компонентов топлива с целью снижения риска для здоровья персонала;

• -    применение экологически чистых компонентов топлива для охраны окружающей среды;

• -    исключение, при возможности, криогенных компонентов топлива, чтобы избавиться от проблем с их хранением;

• -    исключение сильноагрессивных компонентов топлива для упрощения построения топливного бака и трубопровода;

• -    исключение дорогостоящих компонентов топлива;

• -    рассмотрение высокой производительности как наименее важного фактора.

Исходя из перечисленного, выбор может быть сделан в пользу окислителя: 80–85 % перекиси водорода , топливо: керосин или углеводородное топливо ( такое, как пропилен ) .

Принимая во внимание возможную утилизацию, обеспечить: для систем нагрева/ис-парения – самоиспарение или испарение при помощи газового генератора или испарение нагреванием в охлаждающем канале тяговой камеры; для системы топливного бака и блока наддува - простое моноблоковое построение со слоем алюминия, алюминия и других сплавов или со сложной/металлической конструкцией внутри купола; простое устройство наведения, применяя недорогие инерциальные компоненты в системе спутниковой навигации; для системы контроля над тяговым вектором тяговые камеры с шарнирно закрепленным соплом с нагретым газом, с откачивающим насосом, с одной степенью свободы

а          б             в              г

Рис. 2. Варианты конфигурации малобюджетных ракет-носителей: а – мини; б – мини; в – миди; г – миди тетьего класса

(проектирование для 4-камерного двигателя) и/или с двумя степенями свободы для управления креном; стоимость компонентов должна быть следующая: за 1 кг конструкции – 300$, за 1 кг топлива – 5$, за 1 kN тяги ракетного

Таблица 2

Целевые показатели/результаты, которые желательно получить (расчетные значения)

Модель MINI-2 MINI-3 MIDI-2 MIDI-3 MAXI-2 MAXI-3 Кол-во ступеней 2 3 2 3 2 3 Масса ПН на LEO, кг 250 350 1200 1950 5400 9000 Масса ПН на GTO/MPO, кг 40 200 500 1150 2000 5500 Цена, млн $0.96 $0.98 $3.356 $3.340 $14.793 $15.1509 Цена за 1 кг ПН на LEO $3.552 $2.521 $2.713 $1,756 $2, 740 $1,684 Цена за 1 кг ПН на GTO/ MPO $22.421 $4.530 $6.713 $2,965 $7.397 $2.755 двигателя - 1000$, за набор бортовой радиоаппаратуры стоимость - 50 000$, стоимость запуска - 100 000$; есть вероятность, что можно достичь показателей, представленных в табл. 2.

В данный расчет не входят стоимость исследований и разработок, а также прибыль.

Итак, в заключение статьи можно сделать следующие выводы.

Проектирование и производство малобюджетных ракет-носителей представляют ⁴² определенный интерес в том случае, если процесс проектирования направлен более на материальную сторону, чем на техническую сторону.

Преимущества эксплуатации такой системы можно описать при помощи анализа совершенно различных параметров, но самое очевидное из преимуществ, которое в первую очередь привлекает к себе внимание, является снижение затрат, связанных с космическими исследованиями, и/или применение необходи-мой/целевой аппаратуры спутника. Экономия средств на ресурсы в данном сегменте проектирования позволит распределить оставшиеся средства среди других секторов космической отрасли, при этом получая те же результаты от используемых ресурсов, что называется, «цель оправдывает средства».

Этот намеренный уход от использования высоких технологий позволит принять участие в проектировании ракет-носителей многим другим организациям, которые смогут представить собственные разработки в данной области, утилизацию систем или же приложить совместные усилия посредством сотрудничества на международном уровне. В любом случае рано или поздно в проектиро- вании будут преобладать новые знания и перспективы.

Особой выгодой для новичков на этом поприще было бы их участие в разработках высоких технологий, в частности сотрудничество с солидными известными компаниями. Это могло бы послужить двигателем экономического развития при помощи создания различных взаимосвязанных организаций (например, кластеров или ассоциаций), так как небезызвестно, что участие в схожих областях «объединяет» множество заинтересованных сторон, бизнесменов или НИИ (научно-исследовательских институтов).

Естественно, что разработка и использование такой технологии может повлечь ряд вопросов по безопасности, но их можно решить при помощи вышеупомянутого сотрудничества и учреждения соответствующих органов контроля.

Данная статья посвящена памяти Профессора Доктора Джордже Благоевича , его работе, его достоянию и его стремлению создать Космическое агентство Сербии, которое бы непосредственно занималось проектированием малобюджетных ракет-носителей. Большая часть настоящей статьи создана благодаря тесной, сплоченной совместной работе под его руководством.