Dobytí vesmíru se stalo jedním z nejdůležitějších a epochálních úspěchů lidstva. Vytvoření nosných raket a infrastruktury pro jejich start vyžadovalo obrovské úsilí předních zemí světa. V naší době existuje tendence vytvářet plně opakovaně použitelné nosné rakety schopné provádět desítky letů do vesmíru. Jejich vývoj a provoz stále vyžaduje obrovské prostředky, které mohou alokovat pouze státy nebo velké korporace (opět s podporou státu).
Na počátku XXI. Století umožnilo zdokonalení a miniaturizace elektronických součástek vytvářet malé satelity (tzv. „Mikrosatelity“a „nanosatelity“), jejichž hmotnost se pohybuje v rozmezí 1–100 kg. V poslední době mluvíme o „pikosatelitech“(o hmotnosti od 100 g do 1 kg) a „satelitech femto“(o hmotnosti nižší než 100 g). Takové satelity mohou být vypuštěny jako hromadný náklad od různých zákazníků nebo jako procházející náklad „velké“kosmické lodi (SC). Tato metoda vypuštění není vždy pohodlná, protože výrobci nanosatelitů (v následujícím textu budeme toto označení používat pro všechny rozměry ultramalých kosmických lodí) se musí přizpůsobit plánu zákazníků na vypuštění hlavního nákladu, a také kvůli rozdíly na oběžných drahách.
To vedlo ke vzniku poptávky po ultra malých nosných raketách schopných vypustit kosmické lodě o hmotnosti asi 1-100 kg.
DARPA a KB „MiG“
Bylo a je vyvíjeno mnoho projektů ultralehkých nosných raket - s pozemním, leteckým a námořním startem. Americká agentura DARPA zejména aktivně pracovala na problému rychlého vypuštění ultra malých kosmických lodí. Zejména je možné připomenout projekt ALASA zahájený v roce 2012, v jehož rámci bylo plánováno vytvoření malé rakety určené ke startu ze stíhačky F-15E a vypuštění družic o hmotnosti až 45 kg na nízkou referenční oběžnou dráhu (LEV).
Raketový motor instalovaný na raketě musel pracovat na monopropellant NA-7, včetně monopropylenu, oxidu dusného a acetylenu. Startovací náklady neměly přesáhnout 1 milion dolarů. Pravděpodobně to byly problémy s palivem, zejména s jeho spontánním spalováním a tendencí k výbuchu, které ukončily tento projekt.
V Rusku se připravoval podobný projekt. V roce 1997 konstrukční kancelář MiG společně s KazKosmosem (Kazachstán) zahájila vývoj spouštěcího systému užitečného zatížení (PN) pomocí převedeného interceptoru MiG-31I (Ishim). Projekt byl vyvinut na základě podkladů pro vytvoření protisatelitní úpravy MiGu-31D.
Třístupňová raketa, vypuštěná v nadmořské výšce asi 17 000 metrů a rychlosti 3 000 km / h, měla poskytnout užitečné zatížení o hmotnosti 160 kg na oběžnou dráhu ve výšce 300 kilometrů a užitečné zatížení o hmotnosti 120 kg na oběžnou dráhu ve výšce 600 kilometrů.
Složitá finanční situace v Rusku na konci 90. let a na počátku dvacátých let minulého století neumožnila tento projekt realizovat v metalu, i když je možné, že v procesu vývoje mohou vzniknout technické překážky.
Existovalo mnoho dalších projektů ultralehkých nosných raket. Za jejich rozlišovací znak lze považovat vývoj projektů státními strukturami nebo velkými (prakticky „státními“) korporacemi. Jako nosné plošiny musely být často používány složité a drahé platformy, jako jsou stíhačky, bombardéry nebo těžká dopravní letadla.
To vše dohromady komplikovalo vývoj a zvýšilo náklady na komplexy a nyní vedení ve výrobě ultralehkých nosných raket přešlo do rukou soukromých společností.
Raketová laboratoř
Za jeden z nejúspěšnějších a nejznámějších projektů ultralehkých raket lze považovat nosnou raketu „Electron“americko-novozélandské společnosti Rocket Lab. Tato dvoustupňová raketa o hmotnosti 12 550 kg je schopna vynést 250 kg PS nebo 150 kg PS na sluneční synchronní oběžnou dráhu (SSO) s výškou 500 kilometrů do LEO. Společnost plánuje odpálit až 130 raket ročně.
Konstrukce rakety je vyrobena z uhlíkových vláken; proudové motory na kapalná paliva (LRE) se používají na palivový pár petrolej + kyslík. Pro zjednodušení a snížení nákladů na design používá lithium-polymerové baterie jako zdroj energie, pneumatické řídicí systémy a systém pro vytlačování paliva z nádrží, pracující na stlačeném héliu. Při výrobě raketových motorů na kapalná paliva a dalších raketových komponent se aktivně používají aditivní technologie.
Lze poznamenat, že první raketou z Rocket Lab byla meteorologická raketa Kosmos-1 (Atea-1 v maorském jazyce), schopná zvednout 2 kg užitečného nákladu do výšky asi 120 kilometrů.
Lin Industrial
Ruský „analog“Rocket Lab lze nazvat společností „Lin Industrial“, která vyvíjí projekty jak pro nejjednodušší suborbitální raketu schopnou dosáhnout výšky 100 km, tak pro nosné rakety určené k výstupu užitečného zatížení do LEO a SSO.
Přestože na trhu suborbitálních raket (primárně takových, jako jsou meteorologické a geofyzikální rakety) dominují řešení s motory na pevná paliva, Lin Industrial staví svoji suborbitální raketu na základě raketových motorů na kapalná paliva poháněných petrolejem a peroxidem vodíku. S největší pravděpodobností je to kvůli tomu, že Lin Industrial vidí svůj hlavní směr vývoje v komerčním vypuštění nosné rakety na oběžnou dráhu a suborbitální raketa na kapalné palivo je pravděpodobnější, že bude použita k vývoji technických řešení.
Hlavním projektem Lin Industrial je ultralehká nosná raketa Taimyr. Zpočátku projekt počítal s modulárním uspořádáním se sériově paralelním uspořádáním modulů, které umožňuje sestavení nosné rakety s možností výstupu užitečného zatížení o hmotnosti od 10 do 180 kg do LEO. Změnu minimální hmotnosti vypuštěné nosné rakety měla zajistit změna počtu univerzálních raketových jednotek (UBR)-URB-1, URB-2 a URB-3 a třetího stupně raketové jednotky RB-2.
Motory nosné rakety Taimyr musí pracovat na petrolej a koncentrovaný peroxid vodíku; palivo musí být dodáváno výtlakem se stlačeným héliem. Očekává se, že konstrukce bude široce využívat kompozitní materiály, včetně plastů vyztužených uhlíkovými vlákny a komponent 3D vytištěných.
Později společnost Lin Industrial opustila modulární schéma - nosná raketa se stala dvoustupňovou s postupným uspořádáním kroků, v důsledku čehož vzhled nosné rakety Taimyr začal připomínat vzhled nosné rakety Electron od Rocket Lab. Také výtlakový systém na stlačeném héliu byl nahrazen dodávkou paliva pomocí elektrických čerpadel poháněných bateriemi.
První spuštění Taimyr LV je plánováno na rok 2023.
IHI Aerospace
Jednou z nejzajímavějších ultralehkých nosných raket je japonská třístupňová raketa na tuhá paliva SS-520 vyráběná společností IHI Aerospace, vytvořená na základě geofyzikální rakety S-520 přidáním třetího stupně a odpovídajícím zdokonalením palubních systémů. Výška rakety SS-520 je 9,54 metru, průměr je 0,54 metru, startovací hmotnost je 2 600 kg. Užitečná hmotnost dodaná společnosti LEO je přibližně 4 kg.
Tělo prvního stupně je vyrobeno z vysokopevnostní oceli, druhý stupeň je vyroben z kompozitu z uhlíkových vláken, kapotáž hlavy je vyrobena ze sklolaminátu. Všechny tři stupně jsou na tuhá paliva. Řídicí systém SS-520 LV se periodicky zapíná v době oddělení prvního a druhého stupně a po zbytek času je raketa stabilizována rotací.
Dne 3. února 2018 SS-520-4 LV úspěšně vypustil kostku TRICOM-1R o hmotnosti 3 kilogramy, která byla navržena tak, aby demonstrovala možnost vytvoření kosmické lodi ze spotřebních elektronických součástek. V době uvedení na trh byl SS-520-4 LV nejmenším nosným vozidlem na světě, které je zapsáno v Guinnessově knize rekordů.
Vytvoření ultra malých nosných raket založených na meteorologických a geofyzikálních raketách na tuhá paliva může být docela slibným směrem. Takové rakety se snadno udržují, lze je dlouhodobě skladovat ve stavu, který zajišťuje jejich přípravu ke startu v co nejkratším čase.
Náklady na raketový motor mohou být asi 50% nákladů na raketu a je nepravděpodobné, že by bylo možné dosáhnout čísla menšího než 30%, a to i s přihlédnutím k používání aditivních technologií. U nosných raket na tuhá paliva se nepoužívá kryogenní oxidační činidlo, které vyžaduje speciální podmínky skladování a tankování bezprostředně před vypuštěním. Současně se pro výrobu vsázek na tuhá paliva vyvíjejí také aditivní technologie, které umožňují „tisk“palivových náplní požadované konfigurace.
Kompaktní rozměry ultralehkých nosných raket usnadňují jejich přepravu a umožňují start z různých míst planety, aby se dosáhlo požadovaného orbitálního sklonu. U ultralehkých nosných raket je vyžadována mnohem jednodušší startovací platforma než u „velkých“raket, díky kterým je mobilní.
Existují v Rusku projekty takových raket a na jakém základě je lze realizovat?
V SSSR bylo vyrobeno značné množství meteorologických raket-MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR -20 a geofyzikální rakety-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. Mnoho z těchto návrhů bylo založeno na vojenském vývoji balistických raket nebo protiraket. Během let aktivního průzkumu horních vrstev atmosféry dosáhl počet startů 600–700 raket ročně.
Po rozpadu SSSR došlo k radikálnímu snížení počtu startů a typů raket. V současné době Roshydromet používá dva komplexy-MR-30 s raketou MN-300 vyvinutou NPO Typhoon / OKB Novator a meteorologickou raketu MERA vyvinutou KBP JSC.
MR-30 (MN-300)
Střela komplexu MR-30 zajišťuje zvedání 50-150 kg vědeckého vybavení do výšky 300 kilometrů. Délka rakety MN-300 je 8012 mm s průměrem 445 mm, startovací hmotnost je 1558 kg. Náklady na jeden start rakety MN-300 se odhadují na 55–60 milionů rublů.
Na základě rakety MN-300 se zvažuje možnost vytvoření ultra malé nosné rakety IR-300 přidáním druhého stupně a horního stupně (ve skutečnosti třetího stupně). To znamená, že se ve skutečnosti navrhuje zopakovat poměrně úspěšnou zkušenost s implementací japonské ultralehké nosné rakety SS-520.
Někteří odborníci zároveň vyjadřují názor, že vzhledem k tomu, že maximální rychlost rakety MN-300 je asi 2000 m / s, pak k získání první kosmické rychlosti asi 8000 m / s, která je nezbytná k uvedení nosné rakety na oběžnou dráhu, může vyžadovat příliš seriózní revizi původního projektu., což je v podstatě vývoj nového produktu, což může vést ke zvýšení nákladů na uvedení na trh téměř o řád a způsobit, že bude ve srovnání s konkurencí nerentabilní.
OPATŘENÍ
Meteorologická raketa MERA je navržena tak, aby zvedla užitečné zatížení o hmotnosti 2-3 kg do výšky 110 kilometrů. Hmotnost rakety MERA je 67 kg.
Meteorologická raketa MERA je na první pohled naprosto nevhodná pro použití jako základ pro vytvoření ultralehké nosné rakety, ale zároveň existují určité nuance, které umožňují zpochybnit tento úhel pohledu.
Meteorologická raketa MERA je dvoustupňový dvoukomorový a pouze první stupeň plní funkci zrychlení, druhý-po oddělení letí setrvačností, díky čemuž je tento komplex podobný protiletadlovým řízeným střelám (SAM) Tunguska a Pantsirské protiletadlové raketové a dělové komplexy (ZRPK). Ve skutečnosti byla na základě raket pro systémy protivzdušné obrany těchto komplexů vytvořena meteorologická raketa MERA.
Prvním stupněm je kompozitní těleso s vloženou náplní tuhého paliva. Za 2,5 sekundy zrychlí první stupeň meteorologickou raketu na rychlost 5M (rychlost zvuku), což je asi 1500 m / s. Průměr prvního stupně je 170 mm.
První stupeň meteorologické rakety MERA, vyrobený navíjením kompozitního materiálu, je extrémně lehký (ve srovnání s ocelovými a hliníkovými konstrukcemi podobných rozměrů) - jeho hmotnost je pouze 55 kg. Také jeho cena by měla být výrazně nižší než u řešení vyrobených z uhlíkových vláken.
Na základě toho lze předpokládat, že na základě prvního stupně meteorologické rakety MERA může být vyvinut jednotný raketový modul (URM), určený pro dávkové formování stupňů ultralehkých nosných raket
Ve skutečnosti budou dva takové moduly, které se budou lišit v trysce raketového motoru, optimalizované pro provoz v atmosféře nebo ve vakuu. V současné době je údajně maximální průměr pouzder vyráběných společností JSC KBP metodou vinutí 220 mm. Je možné, že existuje technická proveditelnost výroby kompozitních pouzder většího průměru a délky.
Na druhou stranu je možné, že optimálním řešením by byla výroba trupů, jejichž velikost bude sjednocena s jakoukoli municí pro raketový systém protivzdušné obrany Pantsir, řízenými střelami komplexu Hermes nebo meteorologickými raketami MERA, které budou snížit náklady na jeden produkt zvýšením objemu sériového vydání stejného typu produktů.
Stupně nosné rakety by měly být rekrutovány z URM, upevněny paralelně, přičemž oddělení stupňů bude prováděno příčně - podélné oddělení URM ve stupni není zajištěno. Lze předpokládat, že stupně takové nosné rakety budou mít ve srovnání s monoblokovým tělem většího průměru velkou parazitní hmotu. To je částečně pravda, ale nízká hmotnost pouzdra vyrobeného z kompozitních materiálů umožňuje tuto nevýhodu do značné míry vyrovnat. Může se ukázat, že pouzdro o velkém průměru vyrobené podobnou technologií bude mnohem obtížnější a nákladnější na výrobu a jeho stěny budou muset být mnohem silnější, aby byla zajištěna nezbytná tuhost konstrukce, než u připojených URM balíkem, takže na konci bude spousta monobloků a řešení balíčků bude srovnatelné za nižší cenu druhého bloku. A je vysoce pravděpodobné, že ocelové nebo hliníkové monoblokové pouzdro bude těžší než balené kompozitní.
Paralelní připojení URM lze provést pomocí plochých kompozitních frézovaných prvků umístěných v horní a dolní části stupně (v bodech zúžení těla URM). V případě potřeby lze použít další potěry z kompozitních materiálů. Aby se snížily náklady na konstrukci, technologické a levné průmyslové materiály, měla by se co nejvíce používat vysokopevnostní lepidla.
Podobně mohou být stupně NN propojeny kompozitními trubkovými nebo výztužnými prvky a struktura může být neoddělitelná, když jsou stupně odděleny, nosné prvky mohou být kontrolovaně zničeny pyro náboje. Aby se zvýšila spolehlivost, mohou být pyro náboje umístěny v několika postupně umístěných bodech nosné konstrukce a mohou být iniciovány jak elektrickým zapalováním, tak přímým zapalováním z plamene motorů vyššího stupně, když jsou zapnuty (pro střelbu spodní stupeň, pokud nefungovalo elektrické zapalování).
Nosnou raketu lze ovládat stejným způsobem, jako se to dělá u japonské ultralehké nosné rakety SS-520. Rovněž lze uvažovat o možnosti instalace systému rádiového velení, podobného tomu, který je instalován na raketovém systému protivzdušné obrany Pantsir, ke korekci startu nosné rakety alespoň na části trajektorie letu (a případně ve všech fázích let). Potenciálně to sníží množství drahého vybavení na palubě rakety na jedno použití tím, že bude přeneseno do „opakovaně použitelného“řídicího vozidla.
Lze předpokládat, že s přihlédnutím k nosné konstrukci, spojovacím prvkům a řídicímu systému bude konečný produkt schopen dopravit do LEO užitečné zatížení o hmotnosti od několika kilogramů do několika desítek kilogramů (v závislosti na počtu unifikovaných raketových modulů) ve fázích) a soutěžit s japonským ultralehkým SS-LV. 520 a dalšími podobnými ultralehkými nosnými raketami vyvinutými ruskými a zahraničními společnostmi.
Pro úspěšnou komercializaci projektu by odhadované náklady na spuštění ultralehké nosné rakety MERA-K neměly překročit 3,5 milionu dolarů (to jsou náklady na start nosné rakety SS-520).
Kromě komerčních aplikací lze nosnou raketu MERA-K využít k nouzovému stažení vojenských kosmických lodí, jejichž velikost a hmotnost se také postupně zmenší.
Vývoj dosažený během implementace nosné rakety MERA-K lze také použít k vytvoření pokročilých zbraní, například hypersonického komplexu s konvenční hlavicí ve formě kompaktního kluzáku, který je po spuštění vypuštěn vozidlo do horního bodu trajektorie.
