Stát nepotřebuje jednu super výkonnou nosnou raketu, ale SV flotilu
Jak víte, hlavní dokument definující zájmy státu, hlavní cíle, priority a úkoly Ruska v oblasti výzkumu, průzkumu a využívání vesmíru, je schválen prezidentem Ruské federace Vladimirem Putinem v dubnu 2013 „Základy státní politiky Ruské federace v oblasti vesmírných aktivit na období do roku 2030 a dále“.
V souladu s tímto dokumentem jsou hlavními prioritami zajištění zaručeného přístupu Ruska do vesmíru z jeho území s rozvojem a využíváním vesmírných technologií, technologií, prací a služeb v zájmu socioekonomické sféry a obrany země, jakož i jako bezpečnost státu; vytváření vesmírných aktiv v zájmu vědy; činnosti související s prováděním pilotovaných letů, včetně vytvoření vědeckého a technického základu pro provádění pilotovaných letů na planety a další tělesa sluneční soustavy v rámci mezinárodní spolupráce.
Realizace těchto cílů je zajištěna využitím a rozvojem stávajícího vědeckého, technického a výrobního potenciálu pro tvorbu slibných nosných raket, interorbitálních remorkérů, cílových a servisních systémů automatických kosmických lodí (SC), nových kosmických lodí s lidskou posádkou, infrastrukturních prvků pro činnosti v hlubokém vesmíru a průlomové technologie k řešení cílových problémů a výrobních technologií.
Výsledkem bude zachování statusu Ruska jako jedné z předních vesmírných velmocí, potvrzení soběstačnosti při podpoře vlastních vesmírných aktivit napříč celým spektrem úkolů vyžadujících vytvoření orbitální konstelace kosmických lodí na základě ekonomicky efektivního flotila ruských nosných raket.
Potřeba udržovat stabilní pozici a konkurenceschopnost na trhu služeb spouštění je pobídkou ke zlepšování technických a ekonomických ukazatelů letadel, především ke zvyšování jejich energetických schopností.
Všechny tyto faktory se nejzřetelněji projevily na příkladu ekonomicky nejúspěšnějšího produktu ruské kosmonautiky - nosné rakety těžké třídy „Proton“. Právě start rakety Proton na mezinárodní trh nosných služeb a její neustálá modernizace umožnily GKNPTs im. MV Khrunichev přežít v 90. letech a "nula" a udržovat průmyslovou spolupráci, zajišťující údržbu ruské orbitální skupiny kosmických lodí a účast na mezinárodních projektech.
Užitečné zatížení na soutěžních stupnicích
Abychom mohli určit, který SV vyvinout v FKP-2025, musíme pochopit, že energetické schopnosti nosné rakety jsou určeny hmotností užitečného zatížení vypuštěného na pracovní oběžnou dráhu. Často, i když to není zcela správné, se při hodnocení energie NN používá nízká oběžná dráha Země s výškou 200 kilometrů a sklonem rovným zeměpisné šířce bodu startu. Pro provoz kosmické lodi není tato oběžná dráha využívána jako pracovní, protože v důsledku zpomalení atmosféry doba existence kosmické lodi na ní nepřesahuje týden. Mezi různými kosmickými loděmi je nejdražší a na zdroje nejnáročnější trh telekomunikačních kosmických lodí působících na geostacionární oběžné dráze.
Existují dva rysy komerčních startů telekomunikačních kosmických lodí. Množství komerčních kosmických lodí roste rychleji než těch, které byly spuštěny v rámci federálních programů. Jak ale vidíte na grafu, ani hmotnost komerčních kosmických lodí není zdaleka neomezená a pro jejich spuštění není vůbec vyžadována supertěžká třída LV (STK LV) typu SLS.
Existují také rozdíly v balistickém designu komerčních startů. Stalo se, že zahraniční kosmické lodě, na rozdíl od domácích, nebyly umístěny okamžitě na geostacionární oběžnou dráhu, ale na přechodnou vysoce apogeózní „standardní oběžnou dráhu geopřenosu“. Kosmická loď, oddělená od LV na ní, po asi pětihodinové balistické pauze na apogeu oběžné dráhy za pomoci vlastního pohonného systému vypracuje impuls, který zajistí vznik geostacionární oběžné dráhy. S ohledem na spotřebu paliva by hmotnost užitečného zatížení vypuštěného na střední geosynchronní přenosovou oběžnou dráhu měla být přibližně 1,6krát větší než na pracovní oběžné dráze, tj. Geostacionární.
Vraťme se ale k Protonu - právě potřeba udržení konkurenceschopnosti na trhu se službami startovacích služeb se stala důvodem pro provedení čtyř fází její modernizace na úkor prostředků z komerčních startů Proton LV - z původní verze Proton -K na Proton-M a vývoj pro nosnou raketu Proton nové horní etapy (RB) Briz-M, která umožnila zvýšit hmotnost užitečného zatížení dodaného na geostacionární oběžnou dráhu z 2, 6 na 3,5 tuny a na geostacionární přenosová oběžná dráha - od 4,5 do 6, 3 tuny. Ale bez ohledu na to, jak dobrý je nosič Proton, jeho starty nejsou prováděny z území Ruska. Problémy jsou také s dodávkou paliva pro Proton, vysoce toxický heptyl používaný na vojenských raketách a patřící k látkám první, nejvyšší třídy nebezpečnosti.
Vedení země stanovilo průmyslu za úkol zajistit zaručený přístup do vesmíru z jeho území - starty kosmických lodí by měly provádět rakety vyvinuté a vyrobené v Rusku. Kromě toho je nutné zlepšit ekologickou bezpečnost startů vyloučením používání toxického paliva.
Tyto úkoly by měl vyřešit program na vytvoření nosné rakety těžké třídy „Angara“, který zajistí garantovaný start telekomunikačních a meteorologických kosmických lodí a kosmických lodí na geostacionární oběžnou dráhu, zajištění obrany a bezpečnosti státu.
Nosná raketa „Angara“bohužel vznikala poměrně dlouho. Vyhláška vlády Ruské federace o vývoji projektu komplexu kosmických raket (SRS) těžké třídy byla přijata na základě výsledků soutěže pořádané 22 let před prvním spuštěním LV. Skutečné financování programu začalo po roce 2005. Umožnilo to provést dvě úspěšná zkušební spuštění v roce 2014 a naplánovat spuštění LV s cílovým užitečným zatížením od roku 2016. Při startu z kosmodromu Plesetsk energetické schopnosti nosné rakety Angara-A5 s kryogenním RB KVTK zajistí vynesení užitečného nákladu o hmotnosti 4,5 tuny na geostacionární oběžnou dráhu a 7,5 tuny na standardní geostacionární oběžnou dráhu (při použití Briz -M RB - 2, 9 a 5, 4 tuny).
Když je kosmická loď Angara nasazena na kosmodromu Vostočnyj, energetické schopnosti nosné rakety Angara-A5 s kyslíkovo-vodíkovým RB KBTK zajistí vynesení užitečné hmotnosti až pět tun na geostacionární oběžnou dráhu a až osm tun na geostacionární oběžnou dráhu. Tato energetická rezerva je v blízké budoucnosti dostačující pro vypouštění kosmických lodí v rámci federálních programů, ale neumožňuje soutěžit o vypouštění kosmických lodí vyššího cenového rozpětí s novými zahraničními nosnými raketami těžké třídy se zvýšeným užitečným zatížením-Delta-IVH, Ariane-5ECA a Atlas -5. Zejména nosná raketa Atlas-5 řady 500 vypouští na geotransferovou oběžnou dráhu až 8,7 tun a nejsilnější z nosných raket používaných ke startu kosmické lodi amerického ministerstva obrany (Delta-IVH) poskytuje vypuštění užitečného zatížení s hmotností až 13 na oběžnou dráhu geotransferu. 1 tuna.
Po komplexní analýze priorit a požadavků na energetické schopnosti pozemních vozidel a stavu trhu s vesmírnými službami STC z Roskosmosu určilo, že k vyřešení problémů ve vesmíru, včetně vypuštění slibných kosmických lodí s hmotnost nejméně sedm tun na geostacionární oběžnou dráhu a 12 tun na geostacionární oběžnou dráhu, nosná raketa schopná umístit nejméně 35 tun užitečného nákladu na oběžnou dráhu Země.
Takovou nosnou raketu-„Angara-A5V“lze vytvořit výměnou třetího stupně kyslíko-petrolejového nosného rakety „Angara-A5“za kyslíkovo-vodíkový stupeň nové konstrukce. Nosná raketa „Angara-A5V“je maximálně sjednocena s vytvořenou nosnou raketou „Angara-A5“, a to i pokud jde o zařízení infrastruktury pozemního prostoru. Pokud jde o energetické schopnosti, bude nosná raketa Angara-A5V odpovídat aktuálně vyvíjeným zahraničním nosným raketám se zvýšeným užitečným zatížením, jako jsou Ariane-6 (Evropa), Vulcan (USA), CZ-5 (Čína) a N-3 (Japonsko)) a v blízké budoucnosti poskytne konkurenceschopnost ruských vesmírných vozidel těžké třídy na světovém trhu vesmírných služeb.
Naše těžké nosné rakety „Proton-M“a „Angara-A5“s raketovými motory na kapalná paliva (LPRE) odpovídají zahraničním nosným raketám jak v poměru tahu k hmotnosti, tak v hmotnostech užitečného zatížení vypuštěných na určené oběžné dráhy.
Plyn nebo bez plynu
V současné době se flotila domácích SV skládá z nosné rakety lehké třídy Rokot, nosné rakety střední třídy Sojuz s odpalovacím zařízením raket Fregat a nosné rakety těžké třídy Proton s odpalovacími zařízeními raket DM a Briz-M.
V blízké budoucnosti nahradí nosné rakety „heptyl“„Rokot“a „Proton“ekologicky šetrné nosné rakety rodiny „Angara“. Současně se předpokládá zlepšení technologie a snížení nákladů na sériové nosné rakety Angara-A5. Plánuje se také práce na výměně „heptylu“RB „Fregat“za malý RB „ML“za použití komponentů šetrných k životnímu prostředí. Rovněž se plánuje výměna veterána domácí rakety nosné rakety Sojuz za slibnou nosnou raketu střední třídy, která vzniká v rámci vývojových prací Phoenix. Během jeho vývoje se plánuje implementace slibných technologií, které zajistí zvýšení provozních charakteristik, včetně využití zkapalněného zemního plynu (LNG) jako raketového paliva.
Otevřený prostor
Proč je LNG zajímavý? Hlavní výhodou je zásadní možnost snížení nákladů na pohonný systém (PS) nosné rakety v důsledku radikálního snížení provozního tlaku ve spalovací komoře motoru (z 250–260 na 160–170 atmosfér) s mírným (≈4%) zvýšení prázdného specifického impulsu. Zvýšení posledně uvedeného parametru umožňuje udržovat dosaženou úroveň energetických a hmotnostních charakteristik stupňů LV, a to navzdory skutečnosti, že hustota LNG je o polovinu nižší než hustota petroleje. Charakteristickým rysem raketových motorů na kapalná paliva poháněných LNG je možnost vyvinout motor podle schématu obnovy, méně náchylný k rychlému výbušnému vývoji nouzových situací. Předběžná technická a ekonomická hodnocení obecně ukazují, že lze očekávat snížení nákladů na pohonné systémy pro LNG asi 1,5krát ve srovnání s pohonnými systémy založenými na stávajících vysokotlakých petrolejových raketových motorech, což zvýší konkurenceschopnost domácích vypustit vozidla.
Při hodnocení zkušeností s vytvořením super těžké nosné rakety je třeba poznamenat, že Energia - Buran je bezpochyby apogeem domácí raketové technologie, vynikajícím programem z hlediska organizace, koncentrace zdrojů, úspěchů ve vývoji nových strukturálních a tepelných -ochranné materiály, zvládnutí technologií pro výrobu výkonných petrolejových a vodíkových motorů, výroba a přeprava velkých objemů kapalného vodíku, hypersonická aerodynamika atd. Celá země pro to pracovala, ale stát neměl prostředky, síly a cíle k nasazení tento vesmírný systém na oběžné dráze. Současně za více než 10 let práce na vytvoření komplexu „Energia“- „Buran“byla vynaložena více než třetina finančních prostředků přidělených na vesmírné aktivity, což ovlivnilo účinnost implementace jeho dalších oblastí.
Během tohoto období Evropská vesmírná agentura (ESA) vyvinula a začala vypouštět LV střední třídy Ariane-4. Společnost Arianspace s touto raketou obsadila více než polovinu trhu s komerčními starty na oběžnou dráhu geotransferu a po vydělání peněz vytvořila nosnou raketu těžké třídy Ariane-5, která stále zajišťuje implementaci vesmírných programů ESA a drží přes 40 procent světového trhu se službami spouštění.
Deník „VPK“(č. 27) napsal: „… Pentagon by měl cítit pocit hlubokého uspokojení a sledovat, jak se Rusko stále více vzdaluje od vytváření moderních super těžkých nosných raket“, ale odhaduje ukázat, že všechny vojenské úkoly v dohledné době Pentagon vyřeší pomocí nosných raket těžké třídy typu Delta IVH a Atlas-5, a nikoli nosné rakety SLS, vytvořené pro meziplanetární lety. Je nesprávné porovnávat energetické schopnosti 25tunové nosné rakety Angara-A5 a 130tunové nosné rakety SLS-je to jako říkat: „130tunový sklápěč je chladnější než KamAZ a Gazelle není stroj na Všechno. Vůbec ne: jakékoli vozidlo - auto nebo raketa, aby byly účinné, musí být provozovány blízko horní hranice svých energetických schopností. Pokud je nosná raketa poháněna prázdně, jednotkové náklady na spuštění užitečného zatížení se zvyšují, což je jedním z hlavních ukazatelů účinnosti nosné rakety. Stát proto nepotřebuje jednu super výkonnou nosnou raketu, ale optimálně vyváženou flotilu SV různých užitečných zatížení pro konkrétní užitečné zatížení. Pokud takové užitečné zatížení pro LV neexistuje, pak riskuje sdílení osudu Energie. Mimochodem, je významné, že dvě rakety Saturn-5 na konci mise na Měsíc poslaly NASA a americké ministerstvo obrany do muzea, aniž by pro ně našly užitečné zatížení.
Problematika cíleného využití nosné rakety STK byla zvažována v STC Roskosmos - dospěli k závěru, že není nutné vypouštět do 2030–2035 mononáklad o hmotnosti 50–70 tun. Opakujeme, že priority ruského vesmírného průmyslu jsou definovány v „Základy státní politiky v oblasti vesmírných aktivit …“Primárními úkoly je vývoj orbitálních skupin kosmických lodí pro vědecké, socioekonomické a dvojí účely. Proto se Roskosmos NTS ve směru vývoje super těžké nosné rakety rozhodl do roku 2025 omezit na vytvoření vědeckého a technického základu a rozvoj slibných technologií.
Je třeba přiznat, že nyní stav ruské orbitální skupiny kosmických lodí, mírně řečeno, není nejvíce prosperující. Zejména souhvězdí kosmické lodi dálkového průzkumu Země (ERS) se skládá pouze ze sedmi kosmických lodí a uspokojuje potřeby domácích spotřebitelů na úrovni 20–30 procent, zatímco konstelace ERS USA, evropských zemí a Číny se skládají z více než 35 kosmických lodí, které poskytují globální kontrolní povrch Země, včetně dosahu radaru. I v Indii zahrnuje satelitní konstelace ERS 17 satelitů. Tady by měly jít především prostředky FKP-2025-ve vývoji komunikačních kosmických lodí, navigace, dálkového průzkumu Země, meteorologie, včetně kosmických lodí s vysokým prostorovým rozlišením za každého počasí, což je zvláště důležité pro Sibiř, Dálný sever, Arktida a Dálný východ.
Jak ukazují balistické výpočty, při startu z kosmodromu Vostočnyj bude optimalizovaná verze Angara-A5V LV s vylepšeným kryogenním RB KBTK-V poskytovat užitečné zatížení o hmotnosti až 11,9 tun na geostacionární přenosovou oběžnou dráhu a až 7, 2 tuny na geostacionární oběžnou dráhu, a také možnost implementace počáteční fáze pilotovaného lunárního programu pomocí schématu se čtyřmi odpaly (viz obr.): Dva spárované starty LV, zajišťující oddělené doručení na měsíční oběžnou dráhu lunární přistávací a vzletový komplex (LPVK) a transportní vozidlo s posádkou (PTK) s jejich dokováním na oběžné dráze umělý satelit Měsíce (OISL) a následné přistání LPVK s posádkou na povrchu Měsíce.
Typický párový start zahrnuje vypuštění užitečného nákladu na balistickou trajektorii jako součást PTC nebo LPVK a malý interorbitální kyslíko-petrolejový remorkér (MOB2), vytvořený na základě „DM“remorkéru (MOB1), vyvinutého na základ rezervy pro RB KVTK. MOB1 s nosností více než 38 tun je spuštěna podle schématu s dalším spuštěním druhým spuštěním Angara-A5V LV. Po zakotvení na nízké oběžné dráze a fázování je sestavená lunární interorbitální kosmická loď nejprve umístěna na vysoce eliptickou oběžnou dráhu díky síle MOB1. Po vyčerpání paliva se oddělí vodík MOB1 a petrolej MOB2 dokončí formování trajektorie odletu. Dále MOB2 poskytuje korekci trajektorie při letu na Měsíc a přenos užitečného zatížení na oběžnou dráhu. Projekt FKP-2025 zajišťuje práci na uvedených fondech.
Schéma více spuštění je samozřejmě poměrně komplikované, vyžaduje nejvyšší koordinaci: startovní tým musí pracovat současně na dvou odpalovacích zařízeních, jako jsou hodiny. Předběžná technická a ekonomická hodnocení ukazují, že použití víceúčelové nosné rakety v počáteční fázi lunárního programu s lidskou posádkou se zvýšeným užitečným zatížením třídy 35 tun namísto specializované super těžké 80tunové nosné rakety umožní snížit finanční náklady více než řádově a ušetřené zdroje lze použít v zájmu rozvoje domácího orbitálního seskupení kosmických lodí, socioekonomického, vědeckého a dvojího využití.
Pokud jde o použití posilovačů tuhých pohonných hmot (TTU) jako součásti nosné rakety, je třeba zde poznamenat, že raketové motory na tuhá paliva (raketové motory na tuhá paliva) mají ve srovnání s raketovými motory na kapalná paliva nejen výhody, ale také nevýhody - specifický tahový impuls snížený o ~ 10–30 procent, nejhorší hmotnostní dokonalost konstrukce, nebezpečí požáru a výbuchu výroby a vybavení palivové náplně, omezení doby provozu, kontrola trakce, teplotní podmínky při spuštění, škodlivé účinky spalin na životní prostředí. Kromě toho je třeba vzít v úvahu o 30–40 procent vyšší náklady na nosnou raketu s raketovými motory na tuhá paliva ve srovnání s nosnou raketou s raketovými motory na kapalná paliva a nutnost investovat značné prostředky do rozvoje výroby, technologických a testovací zařízení pro výrobu velkých raketových motorů na tuhá paliva.
V domácích projektech se opakovaně uvažovalo o použití velkých raketových motorů na tuhá paliva jako součásti nosné rakety, ale s přihlédnutím k výše uvedeným faktorům, na základě srovnání alternativ, byla volba vždy učiněna ve prospěch motorů na kapalná paliva. Rusko je lídrem ve vývoji a výrobě raketových motorů, které si kupují zákazníci, včetně těch ze Spojených států. V projektu FKP-2025 je také plánováno testování technologie pro výrobu tuhého paliva při startu s tahem asi 100 tun. Proveditelnost použití raketových motorů na tuhá paliva u slibných nosných raket, například ve stejném „Phoenixu“, bude stanovena později na základě výsledků podrobné analýzy.
Na závěr: je zřejmé, že projekt FKP-2025 lze nadále zlepšovat, nicméně z hlediska vývoje nosných raket je tento dokument poměrně vyvážený, odráží skutečný stav věcí a určuje vyhlídky na rozvoj tento sektor průmyslu do roku 2025, s přihlédnutím ke stanoveným prioritám vesmírných aktivit a příležitostem státu k jeho financování.
