Рабочая лошадка российской космонавтики в XXI веке
Многоразовая ракетно-космическая система на стартовом комплексе. Графика НИИ высоких температур
Основу современной российской космонавтики составляют ракеты «Союз» и «Протон», которые были созданы в середине прошлого столетия. Почти все, что стартует в космос с российских космодромов, выводится на орбиты именно этими надежными, но изрядно устаревшими машинами. С целью обновления ракетного парка и обеспечения безусловного доступа России во все сегменты космической деятельности вступает в стадию летных испытаний новейший ракетный комплекс «Ангара». Это, пожалуй, единственный в мире космический ракетный комплекс, обладающий широким спектром возможностей по доставке в космос аппаратов массой от 4 до 26 тонн.
Сверхтяжелые принципы
Потребности в космических транспортных средствах ближайшего времени будут обеспечиваться ракетами «Союз» и «Ангара», но их грузоподъемности недостаточно для решения задач исследования Луны, Марса и других планет Солнечной системы. Кроме того, они осложняют экологическую обстановку в Амурской области потому, что их отработанные ступени будут падать либо в амурскую тайгу, либо в акваторию Охотского моря. Понятно, что ситуация эта вынужденная, это плата за обеспечение космического суверенитета России. Какой же станет эта плата, если будет принято решение о создании ракет сверхтяжелого класса для пилотируемых полетов на Луну?
Такие ракеты в нашей истории уже были: «Энергия» и Н-1. Основные принципы сверхтяжелой ракеты заложены и реализованы более 50 лет назад, поэтому для ее создания нужны только деньги. И если в третий раз будет создана ракета сверхтяжелого класса, то дополнительно около 320 тонн отработанного металла с остатками топлива ежегодно будет накапливаться в Амурской области.
Стремление сделать ракеты экологически безопасными и экономически эффективными привело к идее о возвращении первых ступеней ракет на космодром и их повторном использовании. Отработав положенное время, ступени должны снижаться в атмосфере и как самолет возвращается к месту старта. По такому принципу будет эксплуатироваться многоразовая ракетно-космическая система (МРКС).
МРКС как она есть
Многоразовая ракетно-космическая система была представлена специалистам и общественности на московском аэрокосмическом салоне в 2011 году. Система состоит из четырех многоразовых ракет-носителей (МРН) с возвращаемыми ракетными блоками (ВРБ). Весь ряд МРН грузоподъемностью от 25 до 70 тонн может быть скомплектован путем различных комбинаций двух основных модулей: первый модуль – возвращаемый ракетный блок (первая ступень), второй модуль – вторая одноразовая ракетная ступень.
В комплектации грузоподъемностью до 25 тонн (один ВРБ и один модуль 2-й ступени) многоразовая ракета может осуществлять запуски всех современных и перспективных пилотируемых и беспилотных космических аппаратов. В размерности 35 тонн (два ВРБ и один модуль 2-й ступени) МРН позволяет выводить на орбиту по два телекоммуникационных спутника за один пуск, доставку в космос модулей перспективных орбитальных станций и выведение тяжелых автоматических станций, которые будут использоваться на первом этапе освоения Луны и изучения Марса.
Важное преимущество МРН это возможность выполнения парных пусков. Для того чтобы запустить два современных телекоммуникационных спутника с помощью ракеты «Ангара», необходимо закупить десять ракетных двигателей стоимостью по 240 млн. руб. каждый. При запуске двух таких же спутников с помощью МРН будет израсходован всего один двигатель, стоимость которого оценивается в 400 млн. руб. Уменьшение затрат только на двигателях составляет 600%!
Первые проработки возвращаемого ракетного блока были выполнены в начале столетия и представлены на аэрокосмическом салоне в Ле-Бурже в виде макета возвращаемой ступени «Байкал».
Позже, на этапе предварительного проектирования, выполнены работы по выбору компонентов топлива, решению проблем теплового нагрева, автоматической посадки и многих других проблем. Детально проанализированы десятки вариантов ВРБ, проведен тщательный технико-экономический анализ с учетом различных сценариев развития отечественной космонавтики. В результате был определен вариант МРКС, наиболее полно удовлетворяющий всему множеству современных и перспективных задач.
Посадка многоразовой ракеты-носителя с возвращаемыми ракетными блоками. Графика НИИ высоких температур
На голубом газу
Решать проблему многоразового двигателя, было предложено путем применения в качестве горючего сжиженного природного газа (СПГ). Природный газ – это дешевое, экологически чистое горючее, которое обладает наиболее подходящими свойствами для использования в многоразовых двигателях. Подтверждение этому было получено в КБ Химмаш имени А.М. Исаева в сентябре 2011 года, когда был испытан первый в мире жидкостный ракетный двигатель на природном газе. Двигатель проработал более 3000 секунд, что соответствует 20 пускам. После его разборки и исследования состояния агрегатов были подтверждены все новые технические идеи.
Проблему нагрева конструкции было предложено решить путем выбора оптимальных траекторий, при которых тепловые потоки исключают интенсивный нагрев конструкции. Это позволяет отказаться от дорогостоящей теплозащиты.
Задачу автоматической посадки двух ВРБ и интеграции их в воздушное пространство России предложено решать путем включения в контур управления навигационной системы ГЛОНАСС и системы автоматического зависимого наблюдения, которая в ракетной технике не применялась.
Учитывая техническую сложность и новизну, создаваемой техники, опираясь на отечественный и иностранный опыт, обоснована необходимость создания летного демонстратора, представляющего собой уменьшенную копию ВРБ. Демонстратор можно изготовить и оснастить всеми штатными бортовыми системами, не проводя специальную подготовку производства. Такой летательный аппарат позволит проверить в реальных условиях полета все ключевые технические решения, заложенные в полноразмерном изделии, сократив технические и финансовые риски при создании штатного изделия.
Затраты на демонстратор могут быть оправданы благодаря его уникальным способностям выводить на высоту до 80 км по баллистической траектории объекты массой более 10 т, разгоняя их до скорости, превышающей скорость звука в 7 раз, и возвращаться на аэродром для повторного запуска. Изделие многоразового применения, созданное на его базе, может иметь важное значение не только для разработчиков гиперзвуковых летательных аппаратов.
Философия гибкости
Первая ступень – самая большая и самая дорогостоящая составная часть ракеты. Сократив производство этих ступеней за счет их многократного применения, можно существенно сократить расходы федеральных ведомств на запуски космических аппаратов. Предварительные оценки показывают, что для успешного выполнения всей существующей и перспективной космических программ, включая доставку автоматических станций на Луну и Марс, достаточно иметь парк всего из 7–9 возвращаемых ракетных блоков.
В МРКС заложена философия гибкости относительно конъюнктуры космической программы. Создав МРН грузоподъемностью от 25 до 35 тонн, Роскосмос получит систему, которая будет эффективно решать задачи сегодняшнего дня и ближайшей перспективы. При возникновении потребности в выведении более тяжелых аппаратов для полетов на Луну или Марс в распоряжении заказчика будет МРН грузоподъемностью до 70 тонн, создание которой не требует значительных затрат.
Единственная программа, для которой не пригодна МРКС, это программа пилотируемых полетов на Марс. Но эти полеты технически не осуществимы в обозримом будущем.
Сегодня стоит принципиально важный вопрос о перспективе развития средств выведения. Что создавать: одноразовую ракету сверхтяжелого класса, которая будет использоваться только в Лунной и Марсианской программах и, в случае их прекращения затраты в очередной раз будут списаны; или создавать МРКС, которая не только позволит осуществлять текущие программы пусков по цене в полтора раза меньше сегодняшней, но также может с минимальными доработками использоваться в Лунной программе и программе исследований Марса?
Информация