Podbój kosmosu stał się jednym z najważniejszych i epokowych osiągnięć ludzkości. Stworzenie pojazdów nośnych i infrastruktury do ich startu wymagało ogromnych wysiłków czołowych krajów świata. W naszych czasach istnieje tendencja do tworzenia w pełni wielokrotnego użytku rakiet nośnych, zdolnych do wykonywania dziesiątek lotów w kosmos. Ich rozwój i funkcjonowanie nadal wymaga ogromnych zasobów, które mogą alokować jedynie państwa lub duże korporacje (znów przy wsparciu państwa).
Na początku XXI wieku udoskonalenie i miniaturyzacja elementów elektronicznych umożliwiła stworzenie satelitów małych rozmiarów (tzw. „mikrosatelitów” i „nanosatelitów”), których masa mieści się w zakresie 1-100 kg. Ostatnio mówimy o „pikosatelitach” (o wadze od 100 g do 1 kg) oraz „femtosatelitach” (o wadze poniżej 100 g). Takie satelity mogą być wystrzeliwane jako ładunek drobnicowy od różnych klientów lub jako ładunek przejściowy do „dużego” statku kosmicznego (SC). Ta metoda wystrzelenia nie zawsze jest wygodna, ponieważ producenci nanosatelitów (w dalszej części będziemy używać tego oznaczenia dla wszystkich wymiarów ultra-małych statków kosmicznych) muszą dostosować się do harmonogramu klientów na wystrzelenie głównego ładunku, a także ze względu na różnice w orbitach startowych.
Doprowadziło to do pojawienia się popytu na ultramałe pojazdy nośne zdolne do wystrzeliwania statków kosmicznych o masie około 1-100 kg.
DARPA i KB "MiG"
Powstało i jest opracowywanych wiele projektów ultralekkich pojazdów nośnych - z wodowaniem naziemnym, powietrznym i morskim. W szczególności amerykańska agencja DARPA aktywnie pracowała nad problemem szybkiego startu ultra-małych statków kosmicznych. W szczególności można przywołać projekt ALASA, wystrzelony w 2012 roku, w ramach którego planowano stworzenie małogabarytowej rakiety przeznaczonej do startu z myśliwca F-15E i wystrzelenia satelitów o masie do 45 kg na niską orbitę referencyjną (LEW).
Zainstalowany na rakiecie silnik rakietowy musiał działać na paliwie jednopędnym NA-7, w tym na propylenie, podtlenku azotu i acetylenu. Koszt uruchomienia nie miał przekroczyć 1 miliona dolarów. Przypuszczalnie to problemy z paliwem, w szczególności z jego samozapaleniem i tendencją do wybuchów, położyły kres temu projektowi.
Podobny projekt powstawał w Rosji. W 1997 roku biuro projektowe MiG wraz z KazKosmosem (Kazachstan) rozpoczęło opracowywanie systemu wystrzeliwania ładunku (PN) przy użyciu przerobionego myśliwca przechwytującego MiG-31I (Ishim). Projekt został opracowany na podstawie prac przygotowawczych do stworzenia przeciwsatelitarnej modyfikacji MiG-31D.
Trzystopniowa rakieta, wystrzelona na wysokość około 17 000 metrów i prędkość 3000 km/h, miała wynieść na orbitę ładunek o masie 160 kg na wysokość 300 km, a na orbitę ładunek ważący 120 kg na wysokości 600 kilometrów.
Trudna sytuacja finansowa w Rosji pod koniec lat 90. i na początku XXI wieku nie pozwoliła na realizację tego projektu w metalu, chociaż możliwe jest, że w procesie rozwoju mogą pojawić się przeszkody techniczne.
Było wiele innych projektów ultralekkich pojazdów nośnych. Ich cechą wyróżniającą można uznać opracowywanie projektów przez struktury państwowe lub duże (praktycznie „państwowe”) korporacje. Jako platformy startowe często musiały być używane złożone i drogie platformy, takie jak myśliwce, bombowce lub ciężkie samoloty transportowe.
Wszystko to razem skomplikowało rozwój i zwiększyło koszty kompleksów, a teraz przywództwo w tworzeniu ultralekkich pojazdów nośnych przeszło w ręce prywatnych firm.
Laboratorium rakietowe
Jeden z najbardziej udanych i znanych projektów ultralekkich rakiet można uznać za pojazd startowy „Electron” amerykańsko-nowozelandzkiej firmy Rocket Lab. Ta dwustopniowa rakieta o masie 12 550 kg jest w stanie wystrzelić 250 kg PS lub 150 kg PS na orbitę synchroniczną ze słońcem (SSO) na wysokości 500 km do LEO. Firma planuje wystrzelić do 130 pocisków rocznie.
Konstrukcja rakiety jest wykonana z włókna węglowego, silniki odrzutowe na paliwo ciekłe (LRE) są używane na parze paliwowej nafta + tlen. Aby uprościć i obniżyć koszty konstrukcji, jako źródło zasilania wykorzystuje akumulatory litowo-polimerowe, pneumatyczne układy sterowania oraz system wypierania paliwa ze zbiorników, działający na sprężonym helu. W produkcji silników rakietowych na paliwo ciekłe i innych elementów rakietowych aktywnie wykorzystywane są technologie dodatków.
Można zauważyć, że pierwszą rakietą z Rocket Lab była rakieta meteorologiczna Kosmos-1 (w języku Maorysów Atea-1), zdolna unieść 2 kg ładunku na wysokość około 120 kilometrów.
Linia przemysłowa
Rosyjski „analog” Rocket Lab można nazwać firmą „Lin Industrial”, która opracowuje projekty zarówno najprostszej rakiety suborbitalnej, zdolnej do wzniesienia się na wysokość 100 km, jak i pojazdów nośnych przeznaczonych do wysyłania ładunków do LEO i SSO.
Choć rynek rakiet suborbitalnych (głównie rakiet meteorologicznych i geofizycznych) zdominowany jest przez rozwiązania z silnikami na paliwo stałe, Lin Industrial buduje swoją rakietę suborbitalną w oparciu o silniki rakietowe na paliwo ciekłe napędzane naftą i nadtlenkiem wodoru. Najprawdopodobniej wynika to z faktu, że główny kierunek rozwoju Lin Industrial upatruje w komercyjnym wystrzeleniu rakiety na orbitę, a rakieta suborbitalna na paliwo ciekłe ma większe szanse na wykorzystanie do opracowywania rozwiązań technicznych.
Głównym projektem Lin Industrial jest ultralekki pojazd nośny Taimyr. Początkowo projekt przewidywał układ modułowy z szeregowo-równoległym układem modułów, co pozwala na utworzenie pojazdu startowego z możliwością wyprowadzenia na LEO ładunku o masie od 10 do 180 kg. Zmiana minimalnej masy wystrzeliwanej rakiety miała być zapewniona poprzez zmianę liczby uniwersalnych zestawów rakietowych (UBR) – URB-1, URB-2 i URB-3 oraz zestawu rakietowego III stopnia RB-2.
Silniki wozu nośnego Taimyr muszą być zasilane naftą i stężonym nadtlenkiem wodoru, paliwo musi być zasilane przez wypieranie sprężonym helem. Oczekuje się, że projekt będzie szeroko wykorzystywał materiały kompozytowe, w tym tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym i komponenty drukowane w 3D.
Później firma Lin Industrial zrezygnowała ze schematu modułowego – rakieta stała się dwustopniowa, z sekwencyjnym układem stopni, w wyniku czego wygląd rakiety Taimyr zaczął przypominać wygląd rakiety Electron przez Laboratorium rakietowe. Również system wyporowy na sprężonym helu został zastąpiony zasilaniem paliwem za pomocą pomp elektrycznych zasilanych bateriami.
Pierwszy start Taimyr LV planowany jest na 2023 rok.
IHI Aerospace
Jedną z najciekawszych ultralekkich rakiet nośnych jest japońska trzystopniowa rakieta na paliwo stałe SS-520 produkowana przez IHI Aerospace, stworzona na bazie rakiety geofizycznej S-520 poprzez dodanie trzeciego stopnia i odpowiednie udoskonalenie systemów pokładowych. Wysokość rakiety SS-520 wynosi 9,54 metra, średnica 0,54 metra, masa startowa 2600 kg. Masa ładunku dostarczonego do LEO wynosi około 4 kg.
Korpus pierwszego stopnia wykonany jest ze stali o wysokiej wytrzymałości, drugi stopień wykonany jest z kompozytu z włókna węglowego, owiewka głowicy wykonana jest z włókna szklanego. Wszystkie trzy stopnie to paliwo stałe. Układ sterowania SS-520 LV jest okresowo włączany w momencie rozdzielenia pierwszego i drugiego stopnia, a przez resztę czasu rakieta jest stabilizowana przez obrót.
3 lutego 2018 r. SS-520-4 LV z powodzeniem wprowadził na rynek satelitę TRICOM-1R o masie 3 kilogramów, zaprojektowany w celu zademonstrowania możliwości stworzenia statku kosmicznego z komponentów elektroniki użytkowej. W momencie startu SS-520-4 LV był najmniejszym pojazdem startowym na świecie, wpisanym do Księgi Rekordów Guinnessa.
Dość obiecującym kierunkiem może być tworzenie ultramałych rakiet nośnych opartych na rakietach meteorologicznych i geofizycznych na paliwo stałe. Takie pociski są łatwe w utrzymaniu, mogą być przechowywane przez długi czas w stanie zapewniającym ich przygotowanie do startu w możliwie najkrótszym czasie.
Koszt silnika rakietowego może wynosić około 50% kosztu rakiety i jest mało prawdopodobne, że będzie możliwe osiągnięcie wartości poniżej 30%, nawet biorąc pod uwagę zastosowanie technologii addytywnych. W pojazdach nośnych na paliwo stałe nie stosuje się utleniacza kriogenicznego, co wymaga specjalnych warunków przechowywania i tankowania bezpośrednio przed startem. Jednocześnie do produkcji stałych ładunków miotających opracowywane są również technologie addytywne, które umożliwiają „drukowanie” ładunków paliwowych o wymaganej konfiguracji.
Kompaktowe wymiary ultralekkich pojazdów nośnych ułatwiają ich transport i pozwalają na start z różnych punktów planety w celu uzyskania wymaganego nachylenia orbity. W przypadku ultralekkich pojazdów nośnych wymagana jest znacznie prostsza platforma startowa niż w przypadku „dużych” rakiet, co czyni ją mobilną.
Czy w Rosji są projekty takich rakiet i na jakiej podstawie można je realizować?
W ZSRR wyprodukowano znaczną liczbę rakiet meteorologicznych - MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR -20 i rakiety geofizyczne - 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. Wiele z tych projektów opierało się na rozwoju wojskowym w zakresie pocisków balistycznych lub pocisków przeciwrakietowych. W latach aktywnej eksploracji górnej atmosfery liczba startów sięgała 600-700 rakiet rocznie.
Po rozpadzie ZSRR radykalnie zmniejszono liczbę wystrzeliwanych i rodzajów pocisków. W chwili obecnej Roshydromet korzysta z dwóch kompleksów - MR-30 z rakietą MN-300 opracowaną przez NPO Typhoon / OKB Novator oraz pociskiem meteorologicznym MERA opracowanym przez KBP JSC.
MR-30 (MN-300)
Pocisk kompleksu MR-30 zapewnia podnoszenie 50-150 kg sprzętu naukowego na wysokość 300 kilometrów. Długość rakiety MN-300 wynosi 8012 mm przy średnicy 445 mm, masa startowa to 1558 kg. Koszt jednego startu rakiety MN-300 szacowany jest na 55-60 milionów rubli.
Na bazie rakiety MN-300 rozważana jest możliwość stworzenia ultra-małego pojazdu nośnego IR-300 poprzez dodanie drugiego stopnia i górnego stopnia (w rzeczywistości trzeciego stopnia). Oznacza to, że w rzeczywistości proponuje się powtórzyć dość udane doświadczenie wdrażania japońskiego ultralekkiego pojazdu startowego SS-520.
Jednocześnie niektórzy eksperci wyrażają opinię, że skoro maksymalna prędkość rakiety MN-300 wynosi ok. 2000 m/s, to do uzyskania pierwszej prędkości kosmicznej ok. 8000 m/s, koniecznej do postawienia rakiety nośnej na orbitę, może wymagać zbyt poważnej rewizji pierwotnego projektu, który jest zasadniczo opracowaniem nowego produktu, co może prowadzić do wzrostu kosztów uruchomienia o prawie rząd wielkości i uczynić go nieopłacalnym w porównaniu z konkurencją.
MIERZYĆ
Rakieta meteorologiczna MERA jest przeznaczona do podnoszenia ładunku o wadze 2-3 kg na wysokość 110 kilometrów. Masa rakiety MERA wynosi 67 kg.
Na pierwszy rzut oka rakieta meteorologiczna MERA absolutnie nie nadaje się do wykorzystania jako podstawa do stworzenia ultralekkiej rakiety nośnej, ale jednocześnie istnieją pewne niuanse, które pozwalają zakwestionować ten punkt widzenia.
Pocisk meteorologiczny MERA jest dwustopniowym bikaliberem, a tylko pierwszy stopień pełni funkcję przyspieszenia, drugi - po rozdzieleniu leci bezwładnością, co upodabnia ten kompleks do przeciwlotniczych pocisków kierowanych (SAM) Tunguski i Przeciwlotnicze kompleksy rakietowe i armatnie Pantsir (ZRPK). Właściwie na bazie pocisków do systemów rakiet przeciwlotniczych tych kompleksów powstała rakieta meteorologiczna MERA.
Pierwszy stopień to kompozytowy korpus z umieszczonym w nim stałym ładunkiem miotającym. W 2,5 sekundy pierwszy stopień rozpędza rakietę meteorologiczną do prędkości 5M (prędkości dźwięku), czyli około 1500 m/s. Średnica pierwszego stopnia wynosi 170 mm.
Pierwszy stopień rakiety meteorologicznej MERA, wykonany przez nawijanie materiału kompozytowego, jest niezwykle lekki (w porównaniu do konstrukcji stalowych i aluminiowych o podobnych wymiarach) – jego waga to zaledwie 55 kg. Również jego koszt powinien być znacznie niższy niż rozwiązań wykonanych z włókna węglowego.
Na tej podstawie można założyć, że na bazie pierwszego etapu rakiety meteorologicznej MERA można opracować zunifikowany moduł rakietowy (URM), przeznaczony do wsadowego formowania etapów ultralekkich pojazdów nośnych
W rzeczywistości będą dwa takie moduły, będą się różnić dyszą silnika rakietowego, zoptymalizowaną odpowiednio do pracy w atmosferze lub w próżni. W chwili obecnej maksymalna średnica osłonek produkowanych przez JSC KBP metodą nawijania to podobno 220 mm. Możliwe, że istnieje techniczna możliwość wykonania obudów kompozytowych o większej średnicy i długości.
Z drugiej strony niewykluczone, że optymalnym rozwiązaniem będzie produkcja kadłubów, których wielkość będzie ujednolicona z wszelką amunicją dla systemu rakietowego obrony przeciwlotniczej Pantsir, pocisków kierowanych kompleksu Hermes czy rakiet meteorologicznych MERA, które będą obniżyć koszt pojedynczego produktu poprzez zwiększenie liczby wydań seryjnych tego samego typu produktów.
Etapy pojazdu nośnego powinny być rekrutowane z URM, mocowane równolegle, podczas gdy separacja etapów zostanie przeprowadzona poprzecznie - nie zapewniono podłużnej separacji URM na etapie. Można przypuszczać, że stopnie takiej rakiety nośnej będą miały dużą masę pasożytniczą w porównaniu z korpusem monoblokowym o większej średnicy. Po części to prawda, ale niska waga obudowy wykonanej z materiałów kompozytowych pozwala w dużym stopniu zniwelować tę wadę. Może się okazać, że obudowa o dużej średnicy, wykonana w podobnej technologii, będzie znacznie trudniejsza i kosztowniejsza w produkcji, a jej ścianki będą musiały być znacznie grubsze, aby zapewnić niezbędną sztywność konstrukcji niż w przypadku połączonych URM-ów przez pakiet, dzięki czemu ostatecznie monobloków jest dużo, a rozwiązania pakietowe będą porównywalne przy niższym koszcie tych ostatnich. I jest bardzo prawdopodobne, że stalowa lub aluminiowa obudowa będzie cięższa niż zapakowana w kompozyt.
Połączenie równoległe URM można wykonać za pomocą płaskich frezowanych elementów kompozytowych znajdujących się w górnej i dolnej części stopnia (w miejscach zwężeń korpusu URM). W razie potrzeby można zastosować dodatkowe jastrychy wykonane z materiałów kompozytowych. Aby obniżyć koszty konstrukcji, technologiczne i tanie materiały przemysłowe, należy w jak największym stopniu stosować kleje o wysokiej wytrzymałości.
Podobnie stopnie niskiego napięcia mogą być połączone kompozytowymi elementami rurowymi lub wzmacniającymi, a konstrukcja może być nierozłączna, gdy stopnie są rozdzielone, elementy nośne mogą zostać zniszczone przez ładunki pirotechniczne w kontrolowany sposób. Ponadto, w celu zwiększenia niezawodności, ładunki pirotechniczne mogą być umieszczane w kilku kolejno rozmieszczonych punktach konstrukcji nośnej i być inicjowane zarówno zapłonem elektrycznym, jak i zapłonem bezpośrednim od płomienia silników wyższego stopnia, gdy są one włączone (do strzelania). niższy stopień, jeśli zapłon elektryczny nie działał).
Pojazdem nośnym można sterować w taki sam sposób, jak japońskim ultralekkim pojazdem nośnym SS-520. Można również rozważyć możliwość zainstalowania systemu kontroli dowodzenia radiowego, podobnego do tego, który jest instalowany w systemie rakietowym obrony przeciwlotniczej Pantsir, w celu skorygowania startu pojazdu nośnego przynajmniej na części trajektorii lotu (i ewentualnie na wszystkich etapach lot). Potencjalnie zmniejszy to ilość drogiego sprzętu na pokładzie rakiety jednorazowego użytku, przenosząc go do pojazdu kontrolnego „wielokrotnego użytku”.
Można założyć, że biorąc pod uwagę konstrukcję nośną, elementy łączące i system sterowania, produkt finalny będzie w stanie dostarczyć do LEO ładunek o wadze od kilku do kilkudziesięciu kilogramów (w zależności od ilości zunifikowanych modułów rakietowych na etapach) i konkurować z japońskimi ultralekkimi pojazdami nośnymi SS-LV.520 i innymi podobnymi ultralekkimi pojazdami nośnymi opracowanymi przez firmy rosyjskie i zagraniczne.
W celu udanej komercjalizacji projektu szacowany koszt uruchomienia ultralekkiej rakiety MERA-K nie powinien przekroczyć 3,5 mln USD (jest to koszt uruchomienia rakiety SS-520).
Poza zastosowaniami komercyjnymi, rakieta MERA-K może być wykorzystywana do awaryjnego wycofania wojskowych statków kosmicznych, których rozmiar i masa również będą się stopniowo zmniejszać.
Również osiągnięcia uzyskane podczas wdrażania rakiety MERA-K mogą być wykorzystane do tworzenia zaawansowanej broni, na przykład kompleksu hipersonicznego z konwencjonalną głowicą w postaci kompaktowego szybowca, który zrzucany jest po wystrzeleniu pojazd do górnego punktu trajektorii.
