Jak wiadomo, główny dokument określający interesy państwa, główne cele, priorytety i zadania Rosji w zakresie badań, eksploracji i wykorzystania przestrzeni kosmicznej, został zatwierdzony przez Prezydenta Federacji Rosyjskiej Władimira Putina w kwietniu 2013 r. „Podstawy polityki państwowej Federacji Rosyjskiej w zakresie działań kosmicznych do roku 2030 i później”.
Zgodnie z tym dokumentem do głównych priorytetów należy zapewnienie Rosji gwarantowanego dostępu do przestrzeni kosmicznej z jej terytorium wraz z rozwojem i wykorzystaniem technologii kosmicznych, technologii, robót i usług w interesie sfery społeczno-gospodarczej i obronności kraju jako bezpieczeństwo państwa; tworzenie aktywów kosmicznych w interesie nauki; działania związane z realizacją lotów załogowych, w tym tworzenie podstaw naukowo-technicznych do realizacji lotów załogowych na planety i inne ciała Układu Słonecznego w ramach współpracy międzynarodowej.
Realizacja tych celów jest zapewniona poprzez wykorzystanie i rozwój istniejącego potencjału naukowego, technicznego i produkcyjnego do tworzenia obiecujących rakiet nośnych, holowników międzyorbitalnych, systemów celowania i obsługi automatycznych statków kosmicznych (SC), załogowych statków kosmicznych nowej generacji, elementów infrastruktury dla działania w kosmosie i przełomowe technologie w celu rozwiązania docelowych problemów i technologii produkcyjnych.
Rezultatem będzie zachowanie statusu Rosji jako jednej z wiodących potęg kosmicznych, potwierdzenie samowystarczalności we wspieraniu własnej działalności kosmicznej w całym spektrum zadań wymagających stworzenia orbitalnej konstelacji statków kosmicznych w oparciu o ekonomicznie wydajny flota rosyjskich pojazdów nośnych.
Konieczność utrzymania stabilnej pozycji i konkurencyjności na rynku usług startowych jest bodźcem do poprawy wskaźników techniczno-ekonomicznych samolotów, przede wszystkim do zwiększenia ich możliwości energetycznych.
Wszystkie te czynniki najdobitniej uwidocznił się na przykładzie najbardziej udanego ekonomicznie produktu rosyjskiej kosmonautyki – ciężkiej rakiety nośnej „Proton”. Dopiero wprowadzenie rakiety Proton na międzynarodowy rynek usług startowych i jej ciągła modernizacja pozwoliła GKNPTs im. MV Chrunichev, aby przetrwać w latach 90. i „zero” i utrzymać współpracę przemysłową, zapewniając utrzymanie rosyjskiej grupy orbitalnej statków kosmicznych i udział w międzynarodowych projektach.
Ładowność na wagach konkurencji
Aby określić, który SV będzie rozwijany w FKP-2025, należy zrozumieć, że możliwości energetyczne rakiety nośnej są określone przez masę ładunku wystrzelonego na orbitę roboczą. Często, choć nie do końca poprawne, przy ocenie energii LV stosuje się niską orbitę ziemską o wysokości 200 kilometrów i nachyleniu równym szerokości geograficznej punktu startu. Do działania statku kosmicznego orbita ta nie jest wykorzystywana jako działająca, ponieważ ze względu na spowolnienie atmosfery czas przebywania na niej statku kosmicznego nie przekracza tygodnia. Wśród różnych statków kosmicznych, najdroższy i najbardziej zasobożerny rynek telekomunikacyjnych statków kosmicznych działających na orbicie geostacjonarnej.
Komercyjne starty statków kosmicznych telekomunikacyjnych charakteryzują się dwiema cechami. Masa komercyjnych statków kosmicznych rośnie szybciej niż te wystrzeliwane w ramach programów federalnych. Ale jak widać na wykresie, nawet masa komercyjnych statków kosmicznych jest daleka od nieograniczonej i do ich startu nie jest w ogóle wymagana superciężka klasa LV (STK LV) typu SLS.
Istnieją również różnice w konstrukcji balistycznej startów komercyjnych. Tak się złożyło, że zagraniczne statki kosmiczne, w przeciwieństwie do krajowych, nie są natychmiast umieszczane na orbicie geostacjonarnej, ale na pośredniej „standardowej orbicie geotransferowej” o wysokim apogeum. Statek kosmiczny, oddzielony na nim od LV, po około pięciogodzinnej przerwie balistycznej w apogeum orbity, za pomocą własnego układu napędowego, wypracowuje impuls, który zapewnia powstanie orbity geostacjonarnej. Biorąc pod uwagę zużycie paliwa, masa ładunku wprowadzanego na pośrednią geosynchroniczną orbitę transferową powinna być około 1,6 razy większa niż na orbicie roboczej, czyli geostacjonarnej.
Wróćmy jednak do Protona – właśnie potrzeba utrzymania konkurencyjności na rynku usług startowych stała się powodem przeprowadzenia czterech etapów jego modernizacji kosztem środków z komercyjnych startów Protona LV – z pierwotnej wersji Proton-K do Proton-M i opracowanie dla rakiety Proton nowego Upper Stage (RB) Briz-M, co umożliwiło zwiększenie masy ładunku dostarczanego na orbitę geostacjonarną z 2,6 do 3,5 tony oraz na orbitę geostacjonarną orbita transferowa - od 4,5 do 6, 3 tony. Ale bez względu na to, jak dobry jest lotniskowiec Proton, jego starty nie są wykonywane z terytorium Rosji. Są też problemy z zaopatrzeniem w paliwo dla Protonu, wysoce toksycznego heptylu stosowanego w rakietach wojskowych i zaliczanego do substancji pierwszej, najwyższej klasy zagrożenia.
Kierownictwo kraju postawiło branży zadanie zapewnienia gwarantowanego dostępu do przestrzeni kosmicznej z jej terytorium - starty statków kosmicznych powinny być realizowane przez rakiety opracowane i wyprodukowane w Rosji. Ponadto konieczna jest poprawa bezpieczeństwa ekologicznego startów poprzez eliminację stosowania toksycznego paliwa.
Te zadania powinien rozwiązać program budowy ciężkiej rakiety nośnej „Angara”, która zapewni gwarantowane wystrzelenie na orbitę geostacjonarną statków telekomunikacyjnych i meteorologicznych oraz statków kosmicznych, zapewniając obronę i bezpieczeństwo państwa.
Niestety rakieta „Angara” powstawała dość długo. Dekret rządu Federacji Rosyjskiej w sprawie opracowania projektu kompleksu rakiet kosmicznych (SRS) klasy ciężkiej został przyjęty na podstawie wyników konkursu przeprowadzonego 22 lata przed pierwszym uruchomieniem LV. Realne finansowanie programu rozpoczęło się po 2005 roku. Umożliwiło to przeprowadzenie dwóch udanych startów testowych w 2014 roku oraz zaplanowanie startów LV z docelowymi ładunkami od 2016 roku. Po wystrzeleniu z kosmodromu Plesetsk, możliwości energetyczne rakiety Angara-A5 z kriogenicznym RB KVTK zapewnią wystrzelenie ładunku ważącego 4,5 tony na orbitę geostacjonarną i 7,5 tony na standardową orbitę geostacjonarną (przy użyciu Briz -M RB - odpowiednio 2, 9 i 5, 4 tony).
Kiedy statek kosmiczny Angara zostanie rozmieszczony na kosmodromie Wostocznyj, zdolności energetyczne rakiety nośnej Angara-A5 z tlenowo-wodorowym RB KBTK zapewnią wystrzelenie ładunku o masie do pięciu ton na orbitę geostacjonarną, a do osiem ton na orbitę geostacjonarną. Ta rezerwa energii wystarczy w najbliższej przyszłości do wystrzelenia statków kosmicznych w ramach programów federalnych, ale nie pozwala konkurować o wystrzelenie statków kosmicznych z wyższej półki cenowej z nowymi zagranicznymi pojazdami nośnymi klasy ciężkiej o zwiększonej ładowności - Delta-IVH, Ariane-5ECA i Atlas -5. W szczególności rakieta nośna Atlas-5 z serii 500 wystrzeliwuje do 8,7 ton na orbitę geotransferową oraz najpotężniejszy z pojazdów nośnych używanych do wystrzelenia statku kosmicznego Departamentu Obrony USA (Delta-IVH) zapewnia wystrzelenie na orbitę geoprzenośną ładunku o masie do 13. 1 tony.
Po kompleksowej analizie priorytetów i wymagań dotyczących zdolności energetycznych pojazdów naziemnych, a także stanu rynku usług kosmicznych, STC Roskosmosu ustaliło, że w celu rozwiązania problemów w przestrzeni kosmicznej, w tym wystrzeliwania obiecujących statków kosmicznych z masa co najmniej siedmiu ton na orbicie geostacjonarnej i 12 ton na orbicie geostacjonarnej, pojazd nośny zdolny do umieszczenia co najmniej 35 ton ładunku na niskiej orbicie okołoziemskiej.
Taką rakietę nośną „Angara-A5V” można stworzyć poprzez zastąpienie trzeciego stopnia tlenowo-naftowego pojazdu nośnego „Angara-A5” stopniem tlenowo-wodorowym nowej konstrukcji. Pojazd nośny „Angara-A5V” jest maksymalnie zunifikowany ze stworzonym pojazdem nośnym „Angara-A5”, m.in. pod względem infrastruktury naziemnej. Pod względem możliwości energetycznych pojazd nośny Angara-A5V będzie odpowiadał obecnie rozwijanym zagranicznym pojazdom nośnym o zwiększonej ładowności, takim jak Ariane-6 (Europa), Vulcan (USA), CZ-5 (Chiny) i N-3 (Japonia).) i zapewni w niedalekiej przyszłości konkurencyjność rosyjskich ciężkich pojazdów kosmicznych na światowym rynku usług kosmicznych.
Nasze ciężkie rakiety nośne „Proton-M” i „Angara-A5” z silnikami rakietowymi na paliwo ciekłe (LPRE) odpowiadają zagranicznym rakietom nośnym zarówno pod względem stosunku ciągu do masy, jak i masy ładunku wystrzeliwanej na określone orbity.
Gaz lub bez gazu
Obecnie flota krajowych SV składa się z lekkiej rakiety Rokot, średniej klasy rakiety Sojuz z wyrzutnią pocisków rakietowych Fregat oraz ciężkiej rakiety Proton z wyrzutniami rakiet DM i Briz-M.
W niedalekiej przyszłości pojazdy nośne „heptyl” „Rokot” i „Proton” zastąpią przyjazne środowisku rakiety nośne rodziny „Angara”. Jednocześnie przewiduje się ulepszenie technologii i obniżenie kosztów seryjnych pojazdów nośnych Angara-A5. Planowane są również prace mające na celu wymianę „heptylowego” RB „Fregat” na małogabarytowy RB „ML” z wykorzystaniem ekologicznych komponentów. Planowane jest również zastąpienie weterana krajowej rakiety rakiety nośnej Sojuz obiecującą rakietą średniej klasy, która powstaje w ramach prac rozwojowych Phoenix. W trakcie jego rozwoju planowane jest wdrożenie obiecujących technologii zapewniających wzrost właściwości operacyjnych, w tym wykorzystanie skroplonego gazu ziemnego (LNG) jako paliwa rakietowego.
Otwarta przestrzeń
Dlaczego LNG jest interesujące? Główną zaletą jest zasadnicza możliwość obniżenia kosztów układu napędowego (PS) rakiety nośnej dzięki radykalnemu spadkowi ciśnienia roboczego w komorze spalania silnika (z 250–260 do 160–170 atmosfer) przy niewielkim (≈4%) wzrost impulsu właściwego pustki. Wzrost tego ostatniego parametru pozwala na utrzymanie osiągniętego poziomu charakterystyki energetyczno-masowej stopni niskiego napięcia, mimo że gęstość LNG jest o połowę mniejsza od gęstości nafty. Cechą silników rakietowych na paliwo ciekłe zasilane LNG jest możliwość opracowania silnika o schemacie odzyskiwania, mniej podatnego na szybki wybuch wybuchowy w sytuacjach awaryjnych. Generalnie wstępne oceny techniczno-ekonomiczne wskazują, że można oczekiwać ok. 1,5-krotnego spadku kosztów układów napędowych dla LNG w porównaniu z układami napędowymi opartymi na istniejących wysokociśnieniowych silnikach rakietowych naftowych, co zwiększy konkurencyjność krajowych pojazdy startowe.
Oceniając doświadczenia w tworzeniu superciężkiej rakiety nośnej, należy zauważyć, że Energia – Buran to niewątpliwie apogeum rodzimej technologii rakietowej, wybitny program pod względem organizacji, koncentracji zasobów, osiągnięć w rozwoju nowych konstrukcji i ciepłownictwa. - materiały osłonowe, opanowanie technologii tworzenia potężnych silników na naftę i wodór, produkcja i transport dużych ilości ciekłego wodoru, aerodynamika naddźwiękowa itp. Cały kraj pracował na to, ale państwo nie miało środków, sił i celów do wdrożenia ten system kosmiczny na orbicie. Jednocześnie w ciągu 10 lat prac nad stworzeniem kompleksu „Energia” – „Buran” wydatkowano ponad jedną trzecią środków przeznaczonych na działania kosmiczne, co wpłynęło na efektywność realizacji jego pozostałych obszarów.
W tym okresie Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) opracowała i rozpoczęła wystrzeliwanie średniej klasy LV Ariane-4. Firma Arianspace z tą rakietą zajęła ponad połowę rynku komercyjnych startów na orbitę geotransferową i zarobiwszy pieniądze stworzyła ciężki pojazd nośny Ariane-5, który nadal zapewnia realizację programów kosmicznych ESA i posiada ponad 40 proc. światowego rynku usług startowych.
Gazeta „VPK” (nr 27) napisała: „…Pentagon powinien odczuwać głęboką satysfakcję, obserwując, jak Rosja coraz bardziej oddala się od tworzenia nowoczesnych superciężkich pojazdów nośnych”, ale szacuje pokazują, że wszystkie zadania wojskowe w dającej się przewidzieć przyszłości Pentagon będzie rozwiązywać, wykorzystując rakiety nośne klasy ciężkiej typu Delta IVH i Atlas-5, a nie rakietę SLS, stworzoną do lotów międzyplanetarnych. Błędem jest porównywanie możliwości energetycznych 25-tonowego pojazdu startowego Angara-A5 i 130-tonowego pojazdu startowego SLS - to tak, jakby powiedzieć: „130-tonowa wywrotka jest chłodniejsza niż KamAZ, a Gazelle nie jest maszyną w wszystko. Wcale nie: każdy pojazd - samochód lub rakieta, aby był skuteczny, musi być eksploatowany w pobliżu górnej granicy swoich możliwości energetycznych. Jeśli pojazd startowy jest prowadzony bez ładunku, jednostkowy koszt wystrzelenia ładunku wzrasta i jest to jeden z głównych wskaźników wydajności pojazdu startowego. Dlatego państwo potrzebuje nie jednej super potężnej rakiety nośnej, ale optymalnie zbilansowanej floty pojazdów specjalnych o różnej ładowności dla określonych ładunków. Jeśli nie ma takich ładunków dla NN, to ryzykuje podział losu Energii. Nawiasem mówiąc, istotne jest, że dwie rakiety Saturn-5 pod koniec misji na Księżyc zostały wysłane przez NASA i Departament Obrony USA do muzeum bez znalezienia dla nich ładunku.
W STC Roskosmos rozważano kwestię celowego użycia wyrzutni STK - doszli do wniosku, że nie ma potrzeby wystrzeliwania jednoładunków o wadze 50-70 ton przed 2030-2035. Priorytety rosyjskiego przemysłu kosmicznego, powtarzamy, są określone w „Podstawach polityki państwa w dziedzinie działalności kosmicznej …” Podstawowymi zadaniami są rozwój grup orbitalnych statków kosmicznych do celów naukowych, społeczno-gospodarczych i podwójnych. Dlatego w kierunku opracowania superciężkiej rakiety nośnej Roskosmos NTS postanowił do 2025 roku ograniczyć się do stworzenia podstaw naukowo-technicznych i opracowania obiecujących technologii.
Trzeba przyznać, że obecnie stan rosyjskiej grupy orbitalnej statków kosmicznych, delikatnie mówiąc, nie należy do najlepiej prosperujących. W szczególności konstelacja sondy teledetekcji Ziemi (ERS) składa się tylko z siedmiu statków kosmicznych i zaspokaja potrzeby krajowych konsumentów na poziomie 20-30 procent, podczas gdy konstelacje ERS z USA, krajów europejskich i Chin składają się z ponad 35 statków kosmicznych każdy, zapewniających globalną kontrolę nad powierzchnią Ziemi, w tym w zasięgu radaru. Nawet w Indiach konstelacja satelitów ERS obejmuje 17 satelitów. To właśnie tam powinny trafić przede wszystkim środki z FKP-2025 - w rozwój kosmicznych statków komunikacyjnych, nawigacji, teledetekcji, meteorologii, w tym statków kosmicznych o wysokiej rozdzielczości przestrzennej w każdych warunkach pogodowych, co jest szczególnie ważne dla Syberii, Dalekiej Północy, Arktyka i Daleki Wschód.
Jak pokazują obliczenia balistyczne, po wystrzeleniu z kosmodromu Wostocznyj zoptymalizowana wersja Angara-A5V LV z ulepszonym kriogenicznym RB KBTK-V zapewni ładunek ważący do 11,9 ton na geostacjonarną orbitę transferową i do 7, 2 tony na orbitę geostacjonarną, a także możliwość realizacji początkowego etapu załogowego programu księżycowego przy użyciu schematu czterech startów (patrz rys.): dwa sparowane starty LV, zapewniające oddzielne dostarczenie na orbitę księżycową księżycowy kompleks lądowania i startu (LPVK) i załogowy pojazd transportowy (PTK) z ich dokowaniem na orbicie sztucznego satelity Księżyca (OISL) i późniejszym lądowaniem LPVK z załogą na powierzchni Księżyca.
Typowy start parami obejmuje wystrzelenie ładunku na trajektorię balistyczną w ramach PTC lub LPVK oraz małego międzyorbitalnego holownika tlenowo-naftowego (MOB2), stworzonego na bazie holownika „DM” (MOB1), opracowanego na podstawa rezerwy dla RB KVTK. MOB1 o masie startowej przekraczającej 38 ton zostaje wystrzelony zgodnie ze schematem z dodatkowym startem przed drugim startem Angara-A5V LV. Po zadokowaniu na niskiej orbicie okołoziemskiej i ustawieniu faz, zmontowany międzyorbitalny księżycowy statek kosmiczny jest najpierw umieszczany na wysoce eliptycznej orbicie ze względu na moc MOB1. Po wyczerpaniu się paliwa wodór MOB1 zostaje oddzielony, a nafta MOB2 kończy tworzenie trajektorii odlotu. Ponadto MOB2 zapewnia korekcję trajektorii lotu na Księżyc i przeniesienie ładunku na orbitę okołoksiężycową. Projekt FKP-2025 przewiduje prace na wskazanych funduszach.
Oczywiście schemat wielokrotnego uruchamiania jest dość skomplikowany, wymaga najwyższej koordynacji: zespół startowy musi pracować jednocześnie na dwóch wyrzutniach, jak zegar. Wstępne oceny techniczno-ekonomiczne wskazują, że zastosowanie w początkowym etapie programu księżycowego załogowego wielozadaniowego pojazdu nośnego o zwiększonej ładowności klasy 35 ton zamiast specjalistycznego superciężkiego 80-tonowego pojazdu nośnego pozwoli zmniejszyć koszty finansowe o więcej niż rząd wielkości, a zaoszczędzone zasoby mogą być wykorzystane w interesie rozwoju krajowego ugrupowania orbitalnego statków kosmicznych, społeczno-ekonomicznych, naukowych i podwójnego zastosowania.
Jeśli chodzi o zastosowanie dopalaczy na paliwo stałe (TTU) jako części pojazdu nośnego, należy tutaj zauważyć, że silniki rakietowe na paliwo stałe (silniki rakietowe na paliwo stałe) w porównaniu z silnikami rakietowymi na paliwo ciekłe mają nie tylko zalety, ale także wady - jednostkowy impuls ciągu zmniejszony o ~10-30%, najgorsza doskonałość wagowa konstrukcji, zagrożenie pożarowe i wybuchowe produkcji i wyposażenia wsadu paliwowego, ograniczenie czasu eksploatacji, kontrola trakcji, warunki temperaturowe przy rozruchu, szkodliwy wpływ produktów spalania na środowisko. Ponadto należy wziąć pod uwagę 30-40 proc. wyższy koszt rakiety nośnej z silnikami rakietowymi na paliwo stałe w porównaniu do rakiety nośnej z silnikami rakietowymi na paliwo ciekłe oraz konieczność zainwestowania znacznych środków w rozwój produkcji, technologii oraz obiekty testowe do tworzenia dużych silników rakietowych na paliwo stałe.
Zastosowanie dużych silników rakietowych na paliwo stałe jako części rakiety nośnej było wielokrotnie rozważane w projektach krajowych, ale biorąc pod uwagę powyższe czynniki, na podstawie porównania alternatyw niezmiennie dokonywano wyboru na korzyść silników na paliwo ciekłe. Rosja jest liderem w rozwoju i produkcji silników rakietowych, które są kupowane przez klientów, m.in. ze Stanów Zjednoczonych. W projekcie FKP-2025 planowane jest również przetestowanie technologii wytwarzania stałego paliwa startowego o ciągu około 100 ton. Możliwość zastosowania silników rakietowych na paliwo stałe w obiecujących pojazdach nośnych, na przykład w tym samym „Phoenix”, zostanie ustalona później na podstawie wyników szczegółowej analizy.
Podsumowując: jasne jest, że projekt FKP-2025 można nadal ulepszać, jednak pod względem rozwoju pojazdów nośnych dokument ten jest dość wyważony, odzwierciedla rzeczywisty stan rzeczy i określa perspektywy rozwoju tego sektora przemysłu do 2025 roku, biorąc pod uwagę ustalone priorytety działań kosmicznych i możliwości państwa do jej finansowania.
