Ракета-носитель «Союз-5»: успеем ли в последний вагон
Ракета-носитель «Союз-5» или «Иртыш»
Инженерные изыски
Программа «Союз-5» стартовала в 2015 году с целью создания ракеты-носителя среднего класса, способного выводить на орбиту от 17 тонн полезной нагрузки. Изделие в широкой гамме отечественной ракетной техники для космоса занимает промежуточное положение между «Союзом-2.1» и «Протоном-М». Первый в состоянии выводить на низкую околоземную орбиту до 9 тонн, второй – сразу 22,4 тонны. Отсутствие промежуточного звена в линейке ракет ничем критическим не грозит, если не брать в расчёт интересы бизнеса.
Стоимость выведения на орбиту одного килограмма полезной нагрузки у «Протона-М» составляет чуть менее 3 тысяч долларов, но для начала необходимо загрузить тяжёлую ракету заказами на 22 тонны. Аналогичная ситуация с ещё более тяжёлым носителем «Ангара-А5», у которого вдобавок на данный момент вообще нет коммерческих пусков. И вряд ли случатся в ближайшее время – стоимость пуска одной ракеты приближается к 120 млн долларов. При этом каждый килограмм полезной нагрузки тянет на пять тысяч долларов. Самая тяжёлая ракета среднего класса в России – это «Союз-2.1», у которой один килограмм груза на низкой околоземной орбите стоит от 5,5 до 7 тысяч долларов. При этом стоимость запуска самой ракеты составляет порядка 48 млн долларов, что на данный момент очень бюджетно.
Основной задачей разработчиков системы «Союз-5» было не просто попасть в нишу между «Союзом-2.1» и «Протоном-М», но и добиться стоимости запуска не более 55-56 млн долларов. Для этого ракета должна стать самой экономичной среди всей линейки «Роскосмоса». В первую очередь, за счет ракетных двигателей РД-171МВ. В прошедшем 2023 году были собраны очередные два двигателя, характеристики которых уникальны не только для России, но и для всего мира.
Сравнивать гиганта с современными ракетными двигателями можно очень условно – самые совершенные из них Raptor и Merlin от конторы Илона Маска обитают совсем в другой весовой категории. Разработанный в НПО «Энергомаш» в подмосковных Химках РД-171МВ весит 10,3 тонны, при этом развивает 246 тысяч лошадиных сил. Вероятнее всего, сейчас это вообще самая мощная силовая установка в мире среди всех типов. Для сравнения, проектируемый и самый мощный в мире отечественный ледокол класса «Лидер» планируют оснастить атомной установкой мощностью «всего» в 75 тысяч лошадиных сил. Если всё пойдёт по плану, то одного двигателя РД-171МВ должно хватить для размещения на первой ступени ракетоносителя «Союз-5». Характерной особенностью двигателя являются четыре камеры сгорания и, соответственно, четыре реактивных сопла.
Тяга РД-171МВ оценивается в 800 тонн, что на 110 тонн превышает аналогичный показатель самого мощного когда-то американского F-1. Именно двигатели этой серии с одной камерой сгорания стояли на ракетоносителе «Сатурн-5», который унёс астронавтов на Луну. Разработчики РД-171МВ рассматривают возможность его использования для запуска миссий не только на Луну, но и на Марс. Двигатель поставят на ракету среднего класса «Союз-5», а также на сверхтяжёлый «Енисей». Последние должны, наконец, вернуть Россию в дальний космос.
РД-171МВ
РД-171МВ разработан не с чистого листа. Как и многое в отечественной инженерной технике, двигатель ведёт родословную из Советского Союза. Во-первых, потенциал, заложенный в конструкции 70-80-х годов прошлого века, до сих пор не исчерпан. Во-вторых, создавать совершенно новые изделия сейчас непозволительная роскошь для «Роскосмоса». Тем более такие сложные, как ракетные двигатели. На это нет ни времени, ни средств. Никто в мире такое не практикует – все стараются до последнего выжимать проверенные решения. Исключение Илон Маск – его Raptor и Merlon созданы с нуля только по причине отсутствия в США ракетных двигателей подобного класса.
Прообразом для РД-171МВ стал РД-171М, разработанный для программы «Энергия» – «Буран». Кстати, предшественник с 230 тысячами лошадиных сил также был самым мощным в мире ракетным двигателем своего времени. Но дело не только в мощности. Можно создать двигатель, который в теории будет тянуть на себе полмира, но расходовать при этом неприлично много топлива. Для оценки энергетического совершенства изделий у ракетчиков существует показатель удельного импульса, измеряемый в секундах. Если предельно упростить, то чем он больше, тем более эффективно двигатель использует топливо. Для РД-171МВ удельный импульс составляет 311 секунд на уровне моря, что является рекордом в своём классе. Но не абсолютным – как утверждается, американский Raptor выдает 330 секунд. Многое здесь зависит не только от совершенства конструкции, но и от используемого горючего. Например, главный двигатель советской «Энергии» питался практически идеальным горючим – водородом (окислитель – кислород), отчего и удельный импульс доходил до 450 секунд. Но сложности и опасности с водородом всем понятны, поэтому и в космической отрасли он не распространён.
Убийца Falcon 9 рвётся в космос
РД-171МВ не единственное уникальное решение в рамках программы «Союз-5» или, как ещё именуют, «Иртыш». Двигатели из Химок устанавливаются на первую ступень ракеты-носителя, для второй предусмотрены РД-0124МС. Интересно, что прообразом стал РД-0124, созданный ещё в 1993 году – это был первый ракетный двигатель постсоветской России. Модификация МС сейчас на стадии проектирования и испытания первых прототипов, но заявленные параметры вселяют оптимизм. В вакууме (основной среде работы) изделие выдаёт до 60 тонн и очень эффективно расходует горючее (кислород и нафтил) – 334 секунды на уровне моря.
РД-0124МС для второй ступени «Союз-5»
На каждой ракете «Союз-5» планируют поставить по два четырёхкамерных двигателя. Испытания в воронежском Конструкторском бюро химавтоматики идут полным ходом, но для изготовления товарных образцов время не подошло. Очень хорошо, если это случится в текущем 2024 году.
В списке инноваций проекта «Союз-5» числится применение перспективного алюминий-магниевого сплава 1580 для баков и переходных отсеков ракеты-носителя. Расскажем немного об этом высокопрочном сплаве. Судя по открытым данным от 2020 года, разрабатывали его специалисты из «РУСАЛА». Сплав 1580 является магний-содержащим с 0,1 процентом скандия и 0,15 процента циркония, используемых в качестве легирующих добавок. В техническом задании металлургам изначально фигурировала возможность изготовления отсеков ракеты-носителя по технологии WAAM, то есть 3D-печать металлической проволокой, при которой используется дуговая сварка.
В результате разработчики «Союза-5» получают возможность из алюминий-магниевого сплава 1580 создавать сложные конструкции с уникальным соотношением прочности и веса. В конце декабря 2023 года в ракетно-космическом центре «Прогресс» собран опытный бак из данного сплава, и в ближайшее время проведут его динамические испытания в Центральном научно-исследовательском институте машиностроения. Речь о баке первой ступени для окислителя – кислорода. Бак для горючего – нафтала, создали ещё раньше и уже успели полноценно испытать. На второй ступени инженеры впервые в индустрии применили объединённое днище баков горючего и окислителя, что снизило итоговые массу и размеры изделия. Использование алюминий-магниевого сплава 1580 обходится гораздо дешевле, чем алюминий-литиевого от SpaceX для ракето-носителей Falcon 9. Правда, отечественные изделия из сплава 1580 получаются больше и тяжелее, чем у конторы Илона Маска.
Нетривиальным инженерным решением выглядит использование сварки частей баков методом трения с перемешиванием. Технология позволяет не расплавлять свариваемые поверхности до жидкого состояния, отчего дефектов шва после остывания практически нет. Вся техника для столь тонкого инженерного процесса разработана на отечественном ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель».
Главным преимуществом ракеты-носителя «Союз-5» является большая масса доставляемого на орбиту полезного груза, чем у главного конкурента – Falcon 9. По расчётам, примерно на 10-15 процентов. При этом стоимость запуска ракеты должна остаться прежней – 55-56 млн долларов, что ниже, чем у Falcon 9 с его 62 млн даже в варианте с возвращаемой первой ступенью. Кстати, в рамках темы «Союз-5» авторы рассматривают возможность возврата первой ступени на Землю и повторного использования. С двигателями проблем в этом смысле нет – они изначально многоразовые. Мягкий спуск планируют осуществлять на парашютах. Если всё пойдёт по плану, то Россия может забрать себе часть клиентов SpaceX, особенно из дружественных стран. Например, частные разработчики из Индии и Китая вполне могут воспользоваться услугами «Союза-5». Учитывая непрекращающийся рост трафика в ближний космос, экономичные ракеты-носители не останутся без работы в любом случае.
В конце немного дёгтя в бочке мёда. На начало 2024 года разработчики планируют первый пуск готовой ракеты «Союз-5» на 24 декабря 2025 года. Если посмотреть архивы за 2017-2019 года, то коммерческая эксплуатация новой системы должна была стартовать ещё в прошлом году. Сроки запуска постоянно откладываются и, до определённой меры, это оправдано. Главное, чтобы это не становилось перманентным процессом.
Информация