System rakietowy i kosmiczny wielokrotnego użytku w miejscu startu. Grafika Instytutu Badań Wysokotemperaturowych
Podstawą współczesnej rosyjskiej kosmonautyki są rakiety Sojuz i Proton, które powstały w połowie ubiegłego wieku. Niemal wszystko, co wystrzeliwuje w kosmos z rosyjskich kosmodromów, jest umieszczane na orbicie przez te niezawodne, ale dość przestarzałe maszyny. Aby odnowić flotę rakietową i zapewnić Rosji bezwarunkowy dostęp do wszystkich segmentów działalności kosmicznej, najnowszy kompleks rakietowy Angara wchodzi w fazę testów w locie. Jest to prawdopodobnie jedyny kompleks rakiet kosmicznych na świecie, który ma szeroki zakres możliwości dostarczania w kosmos statków kosmicznych ważących od 4 do 26 ton.
Super ciężkie zasady
Zapotrzebowanie na pojazdy kosmiczne w niedalekiej przyszłości zaspokoi rakiety Sojuz i Angara, ale ich nośność jest niewystarczająca do rozwiązania problemów eksploracji Księżyca, Marsa i innych planet Układu Słonecznego. Ponadto komplikują sytuację ekologiczną w regionie Amur, ponieważ ich wyczerpane etapy wpadną albo do tajgi amurskiej, albo do akwenu Morza Ochockiego. Oczywiste jest, że ta sytuacja jest wymuszona, jest zapłatą za zapewnienie kosmicznej suwerenności Rosji. Jaka będzie ta opłata, jeśli zostanie podjęta decyzja o stworzeniu superciężkich rakiet do załogowych lotów na Księżyc?
W naszej historii były już takie pociski: Energia i N-1. Podstawowe zasady superciężkiej rakiety zostały opracowane i wdrożone ponad 50 lat temu, więc do jej stworzenia potrzebne są tylko pieniądze. A jeśli super ciężka rakieta zostanie stworzona po raz trzeci, to w regionie Amuru rocznie będzie gromadzone dodatkowe 320 ton odpadów metalowych z resztkami paliwa.
Chęć uczynienia rakiet przyjaznymi dla środowiska i opłacalnymi doprowadziła do pomysłu zwrócenia pierwszych stopni rakiet na miejsce startu i ponownego ich wykorzystania. Po ustaleniu wyznaczonego czasu stopnie powinny opaść w atmosferę i po powrocie samolotu na miejsce startu. Zgodnie z tą zasadą eksploatowany będzie system rakietowo-kosmiczny wielokrotnego użytku (MRKS).
MRKS jak to jest
System rakietowy i kosmiczny wielokrotnego użytku został zaprezentowany specjalistom i publiczności na Moscow Aerospace Show w 2011 roku. System składa się z czterech rakiet wielokrotnego użytku (MRN) z zestawami rakiet wielokrotnego użytku (VRB). Całą gamę MRN o nośności od 25 do 70 ton można uzupełnić różnymi kombinacjami dwóch głównych modułów: pierwszy moduł to jednostka rakietowa wielokrotnego użytku (pierwszy stopień), drugi moduł to drugi stopień rakietowy jednorazowego użytku.
W konfiguracji o nośności do 25 ton (jeden VRB i jeden moduł II stopnia), rakieta wielokrotnego użytku może wystrzelić wszystkie nowoczesne i obiecujące załogowe i bezzałogowe statki kosmiczne. W wymiarze 35 ton (dwa VRB i jeden moduł II etapu) MRN umożliwia wystrzelenie na orbitę dwóch satelitów telekomunikacyjnych podczas jednego startu, dostarczanie w kosmos modułów obiecujących stacji orbitalnych oraz wystrzeliwanie ciężkich stacji automatycznych, które będą wykorzystywane na pierwszy etap eksploracji Księżyca i eksploracji Marsa.
Ważną zaletą MRN jest możliwość wykonywania sparowanych startów. Aby wystrzelić dwa nowoczesne satelity telekomunikacyjne za pomocą rakiety Angara, należy zakupić dziesięć silników rakietowych o wartości 240 mln rubli każdy. każdy. Podczas wystrzeliwania dwóch takich samych satelitów za pomocą MRN zostanie zużyty tylko jeden silnik, którego koszt szacowany jest na 400 milionów rubli. Oszczędność kosztów dla samych silników wynosi 600%!
Pierwsze badania jednostki rakietowej do odzyskania zostały przeprowadzone na początku wieku i zaprezentowane na pokazie lotniczym w Le Bourget w formie makiety etapu powrotu do Bajkału.
Później, na etapie projektowania wstępnego, prowadzono prace nad doborem składników paliwa, rozwiązywaniem problemów ogrzewania termicznego, automatycznego lądowania i wielu innych problemów. Szczegółowo przeanalizowano kilkadziesiąt wariantów VRB, przeprowadzono wnikliwą analizę techniczną i ekonomiczną z uwzględnieniem różnych scenariuszy rozwoju krajowej kosmonautyki. W rezultacie ustalono wariant MRKS, który najpełniej spełnia cały zestaw nowoczesnych i obiecujących zadań.
Lądowanie rakiety wielokrotnego użytku z jednostkami rakietowymi wielokrotnego użytku. Grafika Instytutu Badań Wysokotemperaturowych
Na niebieskim gazie
Zaproponowano rozwiązanie problemu silnika wielokrotnego użytku poprzez wykorzystanie jako paliwa skroplonego gazu ziemnego (LNG). Gaz ziemny to tanie, przyjazne dla środowiska paliwo, które najlepiej nadaje się do stosowania w silnikach wielokrotnego użytku. Potwierdziło to biuro projektowe Chimmash im. A. M. Isajew we wrześniu 2011 r., kiedy testowano pierwszy na świecie silnik rakietowy na paliwo płynne na gaz ziemny. Silnik pracował przez ponad 3000 sekund, co odpowiada 20 rozruchom. Po zdemontowaniu i zbadaniu stanu jednostek, wszystkie nowe pomysły techniczne zostały potwierdzone.
Zaproponowano rozwiązanie problemu nagrzewania się konstrukcji poprzez dobór optymalnych trajektorii, w których przepływy ciepła wykluczają intensywne nagrzewanie konstrukcji. Eliminuje to potrzebę kosztownej ochrony termicznej.
Zaproponowano rozwiązanie problemu automatycznego lądowania dwóch VRB i zintegrowanie ich z rosyjską przestrzenią powietrzną poprzez włączenie do pętli sterowania systemu nawigacji GLONASS i automatycznego zależnego systemu nadzoru, który nie był używany w rakietach.
Biorąc pod uwagę złożoność techniczną i nowatorstwo tworzonego sprzętu, bazując na doświadczeniach krajowych i zagranicznych, uzasadniona jest konieczność stworzenia demonstratora lotu, który jest skróconą kopią VRB. Demonstrator można wyprodukować i wyposażyć we wszystkie standardowe systemy pokładowe bez specjalnego przygotowania do produkcji. Taki samolot umożliwi przetestowanie w rzeczywistych warunkach lotu wszystkich kluczowych rozwiązań technicznych zawartych w pełnowymiarowym produkcie, zmniejszając ryzyko techniczne i finansowe przy tworzeniu produktu standardowego.
Koszt demonstratora może być uzasadniony ze względu na jego unikalną zdolność do wystrzeliwania obiektów o masie powyżej 10 ton na wysokość 80 km po trajektorii balistycznej, przyspieszania ich do prędkości przekraczającej 7 razy prędkość dźwięku i powrotu do lotnisko do drugiego startu. Stworzony na jej bazie produkt wielokrotnego użytku może mieć ogromne znaczenie nie tylko dla twórców samolotów naddźwiękowych.
Filozofia elastyczności
Pierwszy stopień to największa i najdroższa część rakiety. Zmniejszając produkcję tych etapów ze względu na ich wielokrotne użytkowanie, możliwe jest znaczne obniżenie kosztów agencji federalnych związanych z wystrzeliwaniem statków kosmicznych. Ze wstępnych szacunków wynika, że do pomyślnej realizacji wszystkich istniejących i obiecujących programów kosmicznych, w tym dostarczenia stacji bezzałogowych na Księżyc i Marsa, wystarczy flota zaledwie 7–9 bloków rakietowych.
MRCS ma filozofię elastyczności w odniesieniu do koniunkcji programu kosmicznego. Po stworzeniu MRN o nośności od 25 do 35 ton Roskosmos otrzyma system, który skutecznie rozwiąże problemy dnia dzisiejszego i najbliższej przyszłości. W przypadku konieczności rozmieszczenia cięższych pojazdów do lotów na Księżyc lub Marsa klient będzie dysponował MRN o nośności do 70 ton, którego stworzenie nie wymaga znacznych kosztów.
Jedynym programem, do którego MRKS się nie nadaje, jest program lotów załogowych na Marsa. Jednak loty te nie są technicznie wykonalne w dającej się przewidzieć przyszłości.
Dziś jest fundamentalnie ważne pytanie o perspektywy rozwoju rakiet nośnych. Co stworzyć: jednorazowa super ciężka rakieta, która będzie używana tylko w programach księżycowym i marsjańskim, a jeśli zostaną zakończone, koszty zostaną ponownie odpisane; czy stworzyć MRCS, który nie tylko pozwoli na realizację obecnych programów startowych w cenie półtora raza niższej niż obecnie, ale może być również stosowany z minimalnymi modyfikacjami w programie Lunar i programie eksploracji Marsa?
