Erövring av yttre rymden har blivit en av de viktigaste och epokgörande prestationerna för mänskligheten. Skapandet av lanseringsfordon och infrastrukturen för deras lansering krävde enorma ansträngningar från världens ledande länder. I vår tid finns det en tendens att skapa fullt återanvändbara skjutbilar som kan utföra dussintals flygningar till rymden. Deras utveckling och drift kräver fortfarande enorma resurser, som bara kan fördelas av stater eller stora företag (igen, med stöd av staten).
I början av XXI-talet gjorde förbättringen och miniatyriseringen av elektroniska komponenter det möjligt att skapa små satelliter (de så kallade "mikrosatelliterna" och "nanosatelliterna"), vars massa ligger i intervallet 1-100 kg. Nyligen talar vi om "picosatelliter" (som väger från 100 g till 1 kg) och "femto -satelliter" (som väger mindre än 100 g). Sådana satelliter kan skjutas upp som grupplast från olika kunder eller som en passande last till "stora" rymdfarkoster (SC). Denna lanseringsmetod är inte alltid bekväm, eftersom tillverkare av nanosatelliter (i det följande kommer vi att använda denna beteckning för alla dimensioner av ultralåga rymdfarkoster) måste anpassa sig till schemat för kunder för lanseringen av huvudlasten, liksom på grund av skillnader i startbanorna.
Detta har lett till att det har uppstått en efterfrågan på extremt små uppskjutningsfordon som kan skjuta upp rymdfarkoster som väger cirka 1-100 kg.
DARPA och KB "MiG"
Det fanns och utvecklas många projekt med ultralätta uppskjutningsfordon - med mark-, luft- och sjösättning. I synnerhet arbetade den amerikanska byrån DARPA aktivt med problemet med den snabba uppskjutningen av extremt små rymdfarkoster. I synnerhet kan man komma ihåg ALASA-projektet, som lanserades 2012, inom vilket det var planerat att skapa en liten raket avsedd att skjuta upp från en F-15E-jaktplan och skjuta upp satelliter som väger upp till 45 kg i en lågreferensbana (LEO).
Raketmotorn installerad på raketen var tvungen att arbeta med NA-7 monopropellant, inklusive monopropylen, lustgas och acetylen. Lanseringskostnaden skulle inte överstiga 1 miljon dollar. Förmodligen var det problem med bränsle, särskilt med dess spontana förbränning och en tendens att explodera, som satte stopp för detta projekt.
Ett liknande projekt höll på att utarbetas i Ryssland. 1997 började MiGs designbyrå, tillsammans med KazKosmos (Kazakstan), att utveckla ett nyttolastsystem (PN) med ett konverterat MiG-31I-interceptor (Ishim). Projektet utvecklades på grundval av grunden för skapandet av en antisatellitmodifiering av MiG-31D.
Trestegsraketen, som lanserades på cirka 17 000 meters höjd och en hastighet på 3 000 km / h, skulle ge en nyttolast som vägde 160 kg i omloppsbana på 300 kilometer och en nyttolast som väger 120 kg i en omloppsbana på 600 kilometers höjd.
Den svåra ekonomiska situationen i Ryssland i slutet av 90 -talet och början av 2000 -talet tillät inte detta projekt att realiseras i metall, även om det är möjligt att tekniska hinder kan uppstå i utvecklingsprocessen.
Det fanns många andra projekt med ultralätta startbilar. Deras särdrag kan betraktas som utvecklingen av projekt av statliga strukturer eller stora (praktiskt taget "statliga") företag. Komplexa och dyra plattformar som stridsflygplan, bombplan eller tunga transportflygplan fick ofta användas som uppskjutningsplattformar.
Allt detta komplicerade tillsammans utvecklingen och ökade kostnaden för komplexen, och nu har ledarskapet i skapandet av ultralätta startbilar gått i händerna på privata företag.
Rocket lab
Ett av de mest framgångsrika och välkända projekten för ultralätta raketer kan betraktas som "Electron" -lanseringsfordonet för det amerikansk-nyazeeländska företaget Rocket Lab. Denna tvåstegsraket med en massa på 12 550 kg kan skjuta upp 250 kg PS eller 150 kg PS i en solsynkron bana (SSO) med en höjd av 500 kilometer in i LEO. Företaget planerar att skjuta upp till 130 missiler om året.
Rakets konstruktion är gjord av kolfiber; jetmotorer med flytande drivmedel (LRE) används på ett bränslepar av fotogen + syre. För att förenkla och minska kostnaden för konstruktionen använder den litiumpolymerbatterier som strömkälla, pneumatiska styrsystem och ett system för att förskjuta bränsle från tankar, som arbetar på komprimerat helium. Vid tillverkning av raketmotorer och andra raketkomponenter används flytande drivmedel aktivt.
Det kan noteras att den första raketen från Rocket Lab var Kosmos-1 meteorologiska raketen (Atea-1 på maori-språket), som kunde lyfta 2 kg nyttolast till en höjd av cirka 120 kilometer.
Lin Industrial
Den ryska "analogen" av Rocket Lab kan kallas företaget "Lin Industrial", som utvecklar projekt för både den enklaste suborbitalraketen som kan nå en höjd av 100 km, och lanseringsfordon avsedda att mata ut nyttolaster till LEO och SSO.
Även om marknaden för suborbitalmissiler (främst som meteorologiska och geofysiska raketer) domineras av lösningar med motorer med fast bränsle, bygger Lin Industrial sin suborbitalraket baserad på raketmotorer med flytande bränsle som drivs av fotogen och väteperoxid. Mest troligt beror detta på att Lin Industrial ser sin huvudsakliga utvecklingsriktning i den kommersiella lanseringen av uppskjutningsfordonet i omloppsbana, och den flytande drivande suborbitalraketen är mer sannolikt att användas för att utveckla tekniska lösningar.
Lin Industrins huvudprojekt är det ultralätta lanseringsfordonet Taimyr. Inledningsvis förutsatte projektet en moduluppbyggnad med ett serieparallellt arrangemang av moduler, vilket möjliggör bildandet av ett uppskjutningsfordon med möjlighet att mata ut en nyttolast som väger från 10 till 180 kg till LEO. Förändringen i minimivikten för det uppskjutna uppskjutningsfordonet skulle säkerställas genom att ändra antalet universella missilenheter (UBR)-URB-1, URB-2 och URB-3 och RB-2-raketenhet i tredje etappen.
Motorerna i Taimyr lanseringsfordon måste fungera på fotogen och koncentrerad väteperoxid; bränslet måste tillföras genom förskjutning med komprimerat helium. Konstruktionen förväntas i stor utsträckning använda kompositmaterial, inklusive kolfiberförstärkt plast och 3D-tryckta komponenter.
Senare övergav Lin Industrial -företaget modulsystemet - lanseringsfordonet blev ett tvåsteg, med ett sekventiellt arrangemang av steg, vilket resulterade i att utseendet på Taimyr -lanseringsfordonet liknade utseendet på elektronlanseringsfordonet av Rocket Lab. Förskjutningssystemet på komprimerat helium ersattes också av bränsletillförsel med elektriska pumpar som drivs av batterier.
Den första lanseringen av Taimyr LV är planerad till 2023.
IHI Aerospace
En av de mest intressanta ultralätta startbilarna är den japanska SS-520 tre-stegs fastdrivande raketen tillverkad av IHI Aerospace, skapad på grundval av den geofysiska raketen S-520 genom att lägga till ett tredje steg och motsvarande förfining av de inbyggda systemen. SS-520-raketens höjd är 9,54 meter, diametern är 0,54 meter, uppskjutningsvikten är 2600 kg. Nyttolastmassan som levereras till LEO är cirka 4 kg.
Kroppen i den första etappen är gjord av höghållfast stål, den andra etappen är gjord av kolfiberkomposit, huvudkåpan är tillverkad av glasfiber. Alla tre etapperna är fast bränsle. Styrsystemet för SS-520 LV slås periodiskt på vid tidpunkten för separering av det första och andra steget, och resten av tiden stabiliseras raketen genom rotation.
Den 3 februari 2018 lanserade SS-520-4 LV framgångsrikt en TRICOM-1R-kubesats med en vikt på 3 kilo, utformad för att visa möjligheten att skapa rymdfarkoster från elektroniska konsumentkomponenter. Vid lanseringen var SS-520-4 LV det minsta lanseringsfordonet i världen, som är registrerat i Guinness rekordbok.
Skapandet av extremt små uppskjutningsfordon baserade på meteorologiska och geofysiska raketer med fasta drivmedel kan vara en ganska lovande riktning. Sådana missiler är lätta att underhålla, kan förvaras under lång tid i ett tillstånd som säkerställer deras förberedelse för sjösättning på kortast möjliga tid.
Kostnaden för en raketmotor kan vara cirka 50% av kostnaden för en raket och det är osannolikt att det kommer att vara möjligt att nå en siffra mindre än 30%, även med hänsyn tagen till användning av additiv teknik. I lanseringsfordon med fast drivmedel används ingen kryogen oxidationsmedel, vilket kräver speciella lagrings- och tankningsförhållanden omedelbart före sjösättning. Samtidigt, för tillverkning av fasta drivmedelsladdningar, utvecklas också additiv teknik som möjliggör "tryckning" av bränsleladdningar med önskad konfiguration.
De kompakta dimensionerna på de ultralätta uppskjutningsfordonen förenklar deras transport och gör det möjligt att sjösätta från olika platser på planeten för att uppnå den nödvändiga banhöjningen. För ultralätta uppskjutningsfordon krävs en mycket enklare lanseringsplattform än för "stora" raketer, vilket gör den mobil.
Finns det projekt av sådana missiler i Ryssland och på vilken grund kan de genomföras?
I Sovjetunionen producerades ett betydande antal meteorologiska raketer-MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR -20 och geofysiska raketer-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. Många av dessa konstruktioner baserades på militär utveckling inom ballistiska missiler eller anti-missiler. Under åren med aktiv utforskning av den övre atmosfären nådde antalet uppskjutningar 600-700 raketer per år.
Efter Sovjetunionens kollaps minskade antalet uppskjutningar och typer av missiler radikalt. För närvarande använder Roshydromet två komplex-MR-30 med raketten MN-300 utvecklad av NPO Typhoon / OKB Novator och den meteorologiska missilen MERA utvecklad av KBP JSC.
MR-30 (MN-300)
Missilen i MR-30-komplexet ger lyft av 50-150 kg vetenskaplig utrustning till en höjd av 300 kilometer. Längden på MN-300-raketen är 8012 mm med en diameter på 445 mm, uppskjutningsvikten är 1558 kg. Kostnaden för en lansering av MN-300-raketen uppskattas till 55-60 miljoner rubel.
På grundval av MN-300-raketen övervägs möjligheten att skapa ett extremt litet uppskjutningsfordon IR-300 genom att lägga till ett andra steg och ett övre steg (faktiskt ett tredje steg). Det är i själva verket föreslås att upprepa den ganska framgångsrika erfarenheten av att implementera det japanska ultralätta lanseringsfordonet SS-520.
Samtidigt uttrycker vissa experter åsikten att eftersom maxhastigheten för MN-300-raketen är cirka 2000 m / s, för att erhålla den första kosmiska hastigheten på cirka 8000 m / s, vilket är nödvändigt för att sätta skjutfordonet i omloppsbana kan det kräva en alltför seriös översyn av det ursprungliga projektet., vilket i huvudsak är utvecklingen av en ny produkt, vilket kan leda till en ökning av lanseringskostnaden med nästan en storleksordning och göra det olönsamt jämfört med konkurrenter.
MÄTA
Den meteorologiska raketen MERA är utformad för att lyfta en nyttolast som väger 2-3 kg till en höjd av 110 kilometer. Massan på MERA -raketen är 67 kg.
Vid första anblicken är den meteorologiska raketen MERA helt olämplig att använda som grund för att skapa ett ultralätt skjutfordon, men samtidigt finns det några nyanser som gör det möjligt att utmana denna synvinkel.
Den meteorologiska missilen MERA är en tvåstegs bicaliber, och endast den första etappen utför accelerationsfunktionen, den andra-efter separationen, flyger tröghet, vilket gör att detta komplex liknar luftfartygsstyrda missiler (SAM) i Tunguska och Pantsir luftvärnsraket- och kanonkomplex (ZRPK). Faktiskt, på grundval av missiler för luftförsvarets missilsystem i dessa komplex, skapades den meteorologiska raketen MERA.
Det första steget är en sammansatt kropp med en fast drivladdning placerad i den. På 2,5 sekunder accelererar den första etappen den meteorologiska raketen till en hastighet av 5M (ljudhastigheter), vilket är cirka 1500 m / s. Diametern på det första steget är 170 mm.
Den första etappen av den meteorologiska raketen MERA, gjord genom att linda ett kompositmaterial, är extremt lätt (jämfört med stål- och aluminiumkonstruktioner med liknande dimensioner) - dess vikt är bara 55 kg. Dess kostnad bör också vara betydligt lägre än lösningar gjorda av kolfiber.
Baserat på detta kan man anta att på grundval av den första etappen av den meteorologiska raketen MERA kan en enhetlig raketmodul (URM) utvecklas, utformad för satsvis bildning av etapper av ultralätta uppskjutningsfordon
Faktum är att det kommer att finnas två sådana moduler, de kommer att skilja sig åt i munstycket på en raketmotor, optimerad för drift i atmosfären eller i ett vakuum. För närvarande är den maximala diametern på höljen som tillverkas av JSC KBP enligt lindningsmetoden förmodligen 220 mm. Det är möjligt att det finns en teknisk genomförbarhet för tillverkning av komposithus med en större diameter och längd.
Å andra sidan är det möjligt att den optimala lösningen är tillverkning av skrov, vars storlek kommer att förenas med någon ammunition för luftförsvarssystemet Pantsir, guidade missiler från Hermes -komplexet eller MERA -meteorologiska raketer, vilket kommer att minska kostnaden för en enda produkt genom att öka volymen av serieutgåvor av samma typ av produkter.
Lanseringsfordonets etapper bör rekryteras från URM, fästas parallellt, medan separationen av etapperna kommer att utföras på tvären - den längsgående separationen av URM i scenen tillhandahålls inte. Det kan antas att etapperna för ett sådant uppskjutningsfordon kommer att ha en stor parasitmassa jämfört med en monoblock -kaross med en större diameter. Detta är delvis sant, men den låga vikten på fodralet av kompositmaterial gör det möjligt att i stor utsträckning jämna ut denna nackdel. Det kan visa sig att ett fodral med stor diameter, tillverkat med liknande teknik, kommer att bli mycket svårare och dyrare att tillverka, och dess väggar måste göras mycket tjockare för att säkerställa den nödvändiga styvheten i strukturen än för URM-enheter som är anslutna med ett paket, så att det i slutändan finns mycket monoblock och paketlösningar blir jämförbara till en lägre kostnad av det senare. Och det är mycket troligt att ett stål- eller aluminiummonoblockfodral kommer att vara tyngre än en förpackad komposit.
Parallell anslutning av URM kan utföras med platta kompositfrästa element belägna i de övre och nedre delarna av steget (vid URM -kroppens förträngningspunkter). Vid behov kan ytterligare avrettningar av kompositmaterial användas. För att minska kostnaden i strukturen, tekniska och billiga industrimaterial, bör höghållfasta lim användas så mycket som möjligt.
På samma sätt kan LV-stegen sammankopplas med sammansatta rörformiga eller förstärkande element, och strukturen kan vara icke-separerbar, när stegen separeras kan de bärande elementen förstöras av pyroladdningar på ett kontrollerat sätt. För att öka tillförlitligheten kan pyro -laddningar dessutom lokaliseras i flera sekvensvis placerade punkter i stödstrukturen och initieras både av elektrisk tändning och direkt tändning från flamman från motorerna i det högre steget när de slås på (för fotografering nedre steget om den elektriska tändningen inte fungerade).
Uppskjutningsfordonet kan styras på samma sätt som det görs på det japanska ultralätta uppskjutningsfordonet SS-520. Alternativet att installera ett radiokommandokontrollsystem, liknande det som är installerat på Pantsir luftförsvarssystem flyget). Detta kommer eventuellt att minska mängden dyr utrustning ombord på en raket för engångsbruk genom att transportera den till ett "återanvändbart" kontrollfordon.
Det kan antas att slutprodukten, med hänsyn till stödstrukturen, anslutningselementen och styrsystemet, kommer att kunna leverera en nyttolast som väger från flera kilo till flera tiotals kilo till LEO (beroende på antalet enhetliga raketmoduler i etapperna) och tävla med den japanska ultralätta SS-LV. 520 och andra liknande ultralätta startbilar som utvecklats av ryska och utländska företag.
För en framgångsrik kommersialisering av projektet bör den uppskattade kostnaden för att lansera det ultralätta lanseringsfordonet MERA-K inte överstiga 3,5 miljoner dollar (detta är lanseringskostnaden för startbilen SS-520).
Förutom kommersiella applikationer kan MERA-K lanseringsfordon användas för nöduttag av militära rymdfarkoster, vars storlek och vikt också gradvis kommer att minska.
Utvecklingen som erhållits under implementeringen av MERA-K lanseringsfordon kan också användas för att skapa avancerade vapen, till exempel ett hypersoniskt komplex med ett konventionellt stridsspets i form av en kompakt segelflygplan, som tappas efter lanseringen av lanseringen fordonet till banans övre punkt.
