Dobytie vesmíru sa stalo jedným z najdôležitejších a epochálnych úspechov ľudstva. Vytvorenie nosných rakiet a infraštruktúra na ich uvedenie na trh si od vedúcich krajín sveta vyžadovalo obrovské úsilie. V našej dobe existuje tendencia vytvárať plne opakovane použiteľné nosné rakety schopné vykonávať desiatky letov do vesmíru. Ich rozvoj a prevádzka stále vyžaduje obrovské zdroje, ktoré môžu prideľovať iba štáty alebo veľké korporácie (opäť s podporou štátu).
Začiatkom XXI. Storočia zlepšenie a miniaturizácia elektronických súčiastok umožnila vytvárať satelity malých rozmerov (takzvané „mikrosatelity“a „nanosatelity“), ktorých hmotnosť sa pohybuje v rozmedzí 1-100 kg. Nedávno hovoríme o „pikosatelitech“(s hmotnosťou od 100 g do 1 kg) a „satelite femto“(s hmotnosťou menej ako 100 g). Takéto satelity je možné vypustiť ako skupinový náklad od rôznych zákazníkov alebo ako prechádzajúci náklad do „veľkých“vesmírnych lodí (SC). Tento spôsob štartu nie je vždy vhodný, pretože výrobcovia nanosatelitov (v nasledujúcom texte použijeme toto označenie pre všetky rozmery ultramalých kozmických lodí) sa musia prispôsobiť plánu zákazníkov na vypustenie hlavného nákladu, ako aj kvôli rozdiely na štartovacích dráhach.
To viedlo k vzniku dopytu po ultra malých nosných raketách schopných vypustiť kozmické lode s hmotnosťou asi 1 až 100 kg.
„MiG“DARPA a KB
Bolo a je vyvíjaných mnoho projektov ultraľahkých nosných rakiet - s pozemným, leteckým a námorným štartom. Americká agentúra DARPA konkrétne aktívne pracovala na probléme rýchleho vypustenia ultra malých vesmírnych lodí. Zvlášť si možno pripomenúť projekt ALASA, ktorý bol zahájený v roku 2012 a v rámci ktorého bolo plánované vytvoriť malú raketu navrhnutú na štart zo stíhačky F-15E a vypustenie satelitov s hmotnosťou do 45 kg na nízku referenčnú obežnú dráhu (LEO).
Raketový motor nainštalovaný na rakete musel pracovať s monopropelentom NA-7 vrátane monopropylénu, oxidu dusného a acetylénu. Náklady na uvedenie na trh nemali prekročiť 1 milión dolárov. Ukončením tohto projektu boli pravdepodobne problémy s palivom, najmä s jeho samovoľným vznietením a tendenciou k výbuchu.
Podobný projekt sa pripravoval v Rusku. V roku 1997 konštrukčná kancelária MiG spolu s KazKosmosom (Kazachstan) začala vyvíjať štartovací systém užitočného zaťaženia (PN) pomocou prestavaného interceptora MiG-31I (Ishim). Projekt bol vyvinutý na základe základov pre vytvorenie protisatelitnej úpravy MiG-31D.
Trojstupňová raketa, vypustená vo výške asi 17 000 metrov a rýchlosťou 3 000 km / h, mala poskytnúť náklad s hmotnosťou 160 kg na obežnú dráhu vo výške 300 kilometrov a užitočné zaťaženie s hmotnosťou 120 kg na obežnú dráhu. vo výške 600 kilometrov.
Zložitá finančná situácia v Rusku na konci 90. rokov a na začiatku minulého storočia neumožnila realizáciu tohto projektu v kove, aj keď je možné, že v procese vývoja môžu vzniknúť technické prekážky.
Existuje mnoho ďalších projektov ultraľahkých nosných rakiet. Za ich rozlišovací znak možno považovať vypracovanie projektov štátnymi štruktúrami alebo veľkými (prakticky „štátnymi“) korporáciami. Ako štartovacie plošiny sa často museli používať zložité a drahé platformy, ako sú stíhačky, bombardéry alebo ťažké dopravné lietadlá.
To všetko dohromady skomplikovalo vývoj a zvýšilo náklady na komplexy a teraz vedenie vo vytváraní ultraľahkých nosných rakiet prešlo do rúk súkromných spoločností.
Raketové laboratórium
Za jeden z najúspešnejších a najznámejších projektov ultraľahkých rakiet možno považovať nosnú raketu „Electron“americko-novozélandskej spoločnosti Rocket Lab. Táto dvojstupňová raketa s hmotnosťou 12 550 kg je schopná vyniesť 250 kg PS alebo 150 kg PS na slnečnú synchrónnu dráhu (SSO) s nadmorskou výškou 500 kilometrov na LEO. Spoločnosť plánuje odpáliť až 130 rakiet ročne.
Konštrukcia rakety je vyrobená z uhlíkových vlákien; prúdové motory na kvapalné palivo (LRE) sa používajú na palivový pár petrolej + kyslík. Na zjednodušenie a zníženie nákladov na dizajn používa lítium-polymérové batérie ako zdroj energie, pneumatické riadiace systémy a systém na vytláčanie paliva z nádrží, ktoré pracujú na stlačenom héliu. Pri výrobe raketových motorov na kvapalné palivo a ďalších raketových komponentov sa aktívne používajú aditívne technológie.
Je možné poznamenať, že prvou raketou z Rocket Lab bola meteorologická raketa Kosmos-1 (Atea-1 v maorskom jazyku), schopná zdvihnúť 2 kg užitočného zaťaženia do výšky asi 120 kilometrov.
Lin Industrial
Ruský „analóg“Rocket Lab možno nazvať spoločnosťou „Lin Industrial“, ktorá vyvíja projekty ako pre najjednoduchšiu suborbitálnu raketu schopnú dosiahnuť výšku 100 km, tak pre nosné rakety určené na výrobu užitočného zaťaženia LEO a SSO.
Napriek tomu, že trhu so suborbitálnymi raketami (predovšetkým meteorologickými a geofyzikálnymi raketami) dominujú riešenia s motormi na tuhé palivá, Lin Industrial stavia svoju suborbitálnu raketu na základe raketových motorov na kvapalné palivá poháňaných petrolejom a peroxidom vodíka. S najväčšou pravdepodobnosťou je to kvôli tomu, že spoločnosť Lin Industrial vidí svoj hlavný smer vývoja v komerčnom vypustení nosnej rakety na obežnú dráhu a na vývoj technických riešení sa častejšie používa suborbitálna raketa na kvapalné palivo.
Hlavným projektom spoločnosti Lin Industrial je ultraľahká nosná raketa Taimyr. Pôvodne projekt počítal s modulárnym usporiadaním so sériovo paralelným usporiadaním modulov, ktoré umožňuje zostavenie nosnej rakety s možnosťou výstupu užitočného zaťaženia s hmotnosťou od 10 do 180 kg do LEO. Zmenu minimálnej hmotnosti vypustenej nosnej rakety mala zabezpečiť zmena počtu univerzálnych raketových jednotiek (UBR)-URB-1, URB-2 a URB-3 a raketovej jednotky tretieho stupňa RB-2.
Motory nosnej rakety Taimyr musia pracovať s petrolejom a koncentrovaným peroxidom vodíka; palivo musí byť zásobované výtlakom stlačeného hélia. Očakáva sa, že dizajn bude široko využívať kompozitné materiály vrátane plastov vystužených uhlíkovými vláknami a komponentov 3D tlače.
Neskôr spoločnosť Lin Industrial opustila modulárnu schému - nosná raketa sa stala dvojstupňovou s postupným usporiadaním krokov, v dôsledku čoho vzhľad nosnej rakety Taimyr začal pripomínať vzhľad nosnej rakety Electron od Rocket Lab. Systém výtlaku na stlačenom héliu bol tiež nahradený dodávkou paliva pomocou elektrických čerpadiel poháňaných batériami.
Prvé spustenie Taimyr LV je naplánované na rok 2023.
IHI Aerospace
Jednou z najzaujímavejších ultraľahkých nosných rakiet je japonská trojstupňová raketa na tuhé palivo SS-520 od spoločnosti IHI Aerospace, ktorá bola vytvorená na základe geofyzikálnej rakety S-520 pridaním tretieho stupňa a zodpovedajúceho zdokonalenia palubných systémov. Výška rakety SS-520 je 9,54 metra, priemer je 0,54 metra, hmotnosť štartu je 2 600 kg. Užitočná hmotnosť dodaná spoločnosti LEO je asi 4 kg.
Telo prvého stupňa je vyrobené z vysokopevnostnej ocele, druhý stupeň je vyrobený z kompozitu z uhlíkových vlákien, kapotáž hlavy je vyrobená zo sklolaminátu. Všetky tri stupne sú na tuhé palivo. Riadiaci systém SS-520 LV sa pravidelne zapína v čase oddelenia prvého a druhého stupňa a po zvyšok času je raketa stabilizovaná otáčaním.
3. februára 2018 SS-520-4 LV úspešne vypustil kockat TRICOM-1R s hmotnosťou 3 kilogramy, ktorý bol navrhnutý tak, aby demonštroval možnosť vytvorenia kozmickej lode zo súčiastok spotrebnej elektroniky. V čase uvedenia na trh bol SS-520-4 LV najmenším nosným vozidlom na svete, ktoré je zapísané v Guinnessovej knihe rekordov.
Pomerne sľubným smerom môže byť vytvorenie ultra malých nosných rakiet založených na meteorologických a geofyzikálnych raketách na tuhé palivo. Takéto rakety sa ľahko udržiavajú, môžu byť dlhodobo skladované v stave, ktorý zaisťuje ich prípravu na štart v čo najkratšom čase.
Náklady na raketový motor môžu predstavovať asi 50% nákladov na raketu a je nepravdepodobné, že by bolo možné dosiahnuť číslo nižšie ako 30%, a to aj pri zohľadnení použitia aditívnych technológií. V nosných raketách na tuhé palivo sa nepoužíva kryogénny oxidant, čo si vyžaduje špeciálne podmienky skladovania a tankovania bezprostredne pred štartom. Súčasne sa na výrobu náplní na tuhé palivo vyvíjajú aj aditívne technológie, ktoré umožňujú „tlačiť“palivové náplne požadovanej konfigurácie.
Kompaktné rozmery ultraľahkých nosných rakiet zjednodušujú ich prepravu a umožňujú štart z rôznych miest planéty, aby sa dosiahol požadovaný orbitálny sklon. Pre ultraľahké nosné rakety je potrebná oveľa jednoduchšia štartovacia platforma ako pre „veľké“rakety, vďaka ktorým je mobilná.
Existujú v Rusku projekty takýchto rakiet a na akom základe je ich možné realizovať?
V ZSSR bol vyrobený značný počet meteorologických rakiet-MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR -20 a geofyzikálne rakety-R-1A, R-1B, R-1V, R-1E, R-1D, R-2A, R-11A, R-5A, R-5B, R-5V, "vertikálne", K65UP, MR-12, MR-20, MN-300, 1Ya2TA. Mnohé z týchto návrhov vychádzali z vojenského vývoja balistických rakiet alebo protirakiet. Za roky aktívneho skúmania horných vrstiev atmosféry dosiahol počet štartov 600-700 rakiet ročne.
Po páde ZSSR sa počet štartov a typov rakiet radikálne znížil. V súčasnosti Roshydromet používa dva komplexy-MR-30 s raketou MN-300 vyvinutou NPO Typhoon / OKB Novator a meteorologickú raketu MERA vyvinutú spoločnosťou KBP JSC.
MR-30 (MN-300)
Raketa komplexu MR-30 poskytuje zdvih 50-150 kg vedeckého vybavenia do nadmorskej výšky 300 kilometrov. Dĺžka rakety MN-300 je 8012 mm s priemerom 445 mm, hmotnosť štartu je 1558 kg. Náklady na jeden štart rakety MN-300 sa odhadujú na 55-60 miliónov rubľov.
Na základe rakety MN-300 sa uvažuje o možnosti vytvorenia ultra malej nosnej rakety IR-300 pridaním druhého stupňa a horného stupňa (v skutočnosti tretieho stupňa). To je, v skutočnosti, sa navrhuje zopakovať pomerne úspešnú skúsenosť s implementáciou japonskej ultraľahkej nosnej rakety SS-520.
Niektorí odborníci zároveň vyjadrujú názor, že keďže maximálna rýchlosť rakety MN-300 je asi 2 000 m / s, potom na získanie prvej kozmickej rýchlosti asi 8 000 m / s, ktorá je potrebná na spustenie nosnej rakety na obežnú dráhu, si môže vyžiadať príliš serióznu revíziu pôvodného projektu., čo je v podstate vývoj nového produktu, čo môže viesť k zvýšeniu nákladov na uvedenie na trh takmer o rád a spôsobiť jeho nerentabilnosť v porovnaní s konkurenciou.
OPATRENIE
Meteorologická raketa MERA je navrhnutá tak, aby zdvihla užitočné zaťaženie s hmotnosťou 2 až 3 kg do nadmorskej výšky 110 kilometrov. Hmotnosť rakety MERA je 67 kg.
Meteorologická raketa MERA je na prvý pohľad absolútne nevhodná na použitie ako základ na vytvorenie ultraľahkej nosnej rakety, ale zároveň existujú určité nuansy, ktoré umožňujú spochybniť tento uhol pohľadu.
Meteorologická strela MERA je dvojstupňová dvojkomorová a iba prvý stupeň plní funkciu zrýchlenia, druhá-po oddelení letí zotrvačnosťou, vďaka čomu je tento komplex podobný protilietadlovým riadeným strelám (SAM) Tunguska a Protilietadlové raketové a delové komplexy Pantsir (ZRPK). V skutočnosti bola na základe rakiet pre raketové systémy protivzdušnej obrany týchto komplexov vytvorená meteorologická raketa MERA.
Prvým stupňom je kompozitné telo s vloženou náplňou tuhého paliva. Prvý stupeň za 2,5 sekundy zrýchli meteorologickú raketu na rýchlosť 5M (rýchlosť zvuku), čo je asi 1 500 m / s. Priemer prvého stupňa je 170 mm.
Prvý stupeň meteorologickej rakety MERA vyrobený navíjaním kompozitného materiálu je extrémne ľahký (v porovnaní s oceľovými a hliníkovými konštrukciami podobných rozmerov) - jeho hmotnosť je iba 55 kg. Tiež jeho náklady by mali byť výrazne nižšie ako riešenia vyrobené z uhlíkových vlákien.
Na základe toho sa dá predpokladať, že na základe prvého stupňa meteorologickej rakety MERA je možné vyvinúť jednotný raketový modul (URM), určený na dávkové formovanie stupňov ultraľahkých nosných rakiet
V skutočnosti budú existovať dva takéto moduly, ktoré sa budú líšiť v dýze raketového motora, optimalizované pre prevádzku v atmosfére alebo vo vákuu. V súčasnej dobe je maximálny priemer puzdier vyrábaných spoločnosťou JSC KBP metódou navíjania údajne 220 mm. Je možné, že existuje technická uskutočniteľnosť výroby kompozitných puzdier väčšieho priemeru a dĺžky.
Na druhej strane je možné, že optimálnym riešením by bola výroba trupov, ktorých veľkosť bude zjednotená s akoukoľvek muníciou pre raketový systém protivzdušnej obrany Pantsir, riadenými strelami komplexu Hermes alebo meteorologickými raketami MERA, ktoré budú znížiť náklady na jeden výrobok zvýšením objemu sériového vydania rovnakého typu výrobkov.
Stupne nosnej rakety by mali byť verbované z URM, paralelne upevnené, pričom oddelenie etáp bude prebiehať priečne - pozdĺžne oddelenie URM v etape nie je k dispozícii. Dá sa predpokladať, že stupne takejto nosnej rakety budú mať v porovnaní s monoblokovým telesom väčšieho priemeru veľkú parazitickú hmotnosť. Je to čiastočne pravda, ale nízka hmotnosť puzdra vyrobeného z kompozitných materiálov umožňuje do značnej miery vyrovnať túto nevýhodu. Môže sa ukázať, že puzdro s veľkým priemerom vyrobené podobnou technológiou bude oveľa ťažšie a nákladnejšie na výrobu a jeho steny budú musieť byť oveľa hrubšie, aby sa zaistila potrebná tuhosť konštrukcie, než je tomu u spojených URM. balíkom, takže nakoniec bude veľa monoblokov a riešenia balíkov budú porovnateľné za nižšie náklady. A je vysoko pravdepodobné, že oceľové alebo hliníkové monoblokové puzdro bude ťažšie ako balené kompozitné.
Paralelné spojenie URM je možné vykonať pomocou plochých kompozitných frézovaných prvkov umiestnených v hornej a dolnej časti schodu (v bodoch zúženia telesa URM). V prípade potreby je možné použiť ďalšie potery z kompozitných materiálov. Aby sa znížili náklady na konštrukciu, technologické a lacné priemyselné materiály, mali by sa čo najviac používať vysokopevné lepidlá.
Podobne môžu byť stupne NN prepojené kompozitnými rúrkovými alebo výstužnými prvkami a konštrukcia môže byť neoddeliteľná, keď sú stupne oddelené, nosné prvky môžu byť kontrolovane zničené pyro nábojmi. Aby sa zvýšila spoľahlivosť, pyro náboje môžu byť umiestnené v niekoľkých postupne umiestnených bodoch nosnej konštrukcie a môžu byť iniciované elektrickým zapaľovaním a priamym zapaľovaním z plameňa motorov vyššieho stupňa, keď sú zapnuté (na streľbu dolný stupeň, ak nefungovalo elektrické zapaľovanie).
Nosnú raketu je možné ovládať rovnakým spôsobom ako na japonskom ultraľahkom nosnom vozidle SS-520. Možnosť inštalácie rádiového systému riadenia, podobného tomu, ktorý je nainštalovaný na raketovom systéme protivzdušnej obrany Pantsir, možno tiež zvážiť na opravu štartu nosnej rakety aspoň na časť trajektórie letu (a možno vo všetkých fázach let). Potenciálne to zníži množstvo drahého vybavenia na palube jednorazovej rakety tým, že ho prenesie do „opakovane použiteľného“riadiaceho vozidla.
Dá sa predpokladať, že s prihliadnutím na nosnú konštrukciu, spojovacie prvky a riadiaci systém, bude konečný produkt schopný dodať LEO užitočné zaťaženie s hmotnosťou od niekoľkých kilogramov do niekoľko desiatok kilogramov (v závislosti od počtu zjednotených raketových modulov) po etapách) a súťažiť s japonskými ultraľahkými SS-LV. 520 a inými podobnými ultraľahkými nosnými raketami vyvinutými ruskými a zahraničnými spoločnosťami.
Pre úspešnú komercializáciu projektu by odhadované náklady na uvedenie ultraľahkého nosného rakety MERA-K nemali presiahnuť 3,5 milióna dolárov (to sú náklady na štart nosného rakety SS-520).
Okrem komerčných aplikácií možno nosnú raketu MERA-K použiť na núdzové stiahnutie vojenských vesmírnych lodí, ktorých veľkosť a hmotnosť sa tiež postupne zmenší.
Vývoj dosiahnutý počas implementácie nosnej rakety MERA-K je možné použiť aj na výrobu pokročilých zbraní, napríklad hypersonického komplexu s konvenčnou hlavicou vo forme kompaktného vetroňa, ktorý sa po spustení štartu zhodí. vozidlo do horného bodu trajektórie.
