«Перспективная схема»: как в России реализуются проекты в сфере многоразовых космических запусков
Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского разработала схему верхней ступени ракеты-носителя, которая позволяет использовать дорогостоящие элементы силовой установки несколько раз. Уникальная технология позволит существенно удешевить запуски космических аппаратов и одновременно усовершенствовать сами ракетные двигатели. В настоящее время в России разрабатывается несколько вариантов многоразовых ракет, в том числе для нужд Минобороны РФ. По словам экспертов, технические решения в этой области призваны сократить затраты на вывод на орбиту как военных, так и гражданских спутников.
Сотрудники Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского (ВКА) запатентовали уникальную технологию, призванную существенно удешевить запуски космических аппаратов. Об этом сообщила газета «Красная звезда».
«Коллективом кафедры конструкции ракет-носителей и ракетных двигателей факультета конструкции летательных аппаратов Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского изобретена и запатентована перспективная схема верхней ступени ракеты-носителя, позволяющая спасти и повторно использовать наиболее дорогостоящие элементы конструкции», — говорится в статье.
Основное достоинство технологии — возможность вернуть на Землю ракетный двигатель, аппаратуру системы управления ракеты-носителя. Благодаря этому как раз и снижается стоимость выведения спутников на околоземную орбиту.
«Самолётный принцип»
Одним из разработчиков схемы стал заместитель начальника кафедры конструкции ракет-носителей и ракетных двигателей полковник Алексей Султанов. В комментарии «Красной звезде» он уточнил, что проект не отрицает наработки предыдущих десятилетий, а позволит вписать «многоразовые средства спасения дорогостоящих элементов в классическую компоновку ракеты-носителя».
«Благодаря такому подходу мы можем быстро и достоверно оценить затраты, сопутствующие воплощению нашей идеи… Мы стремимся использовать штатное оборудование космодрома и возможности боевого расчёта, не привлекая значительных дополнительных ресурсов», — пояснил Султанов.
Технология, созданная ВКА, представляет собой верхнюю ступень ракеты-носителя, выполненную в виде спускаемого самолёта-капсулы с затупленным носом.
«Уникальность компоновки капсулы заключается в том, что все крылья и аэродинамические поверхности изначально сложены, и фактически изделие представляет подобие спускаемой капсулы космического корабля классической формы с затупленным носом. В таких образцах на основании богатого опыта уже отработана такая сложная задача, как вход в атмосферу, и проблема первого торможения также решена», — пишет «Красная звезда».
Спустя некоторое время после отделения от ракеты самолёт-капсула развёртывает спрятанные аэродинамические поверхности. Сначала выдвигается основное оперение, которое снижает сверхзвуковую скорость падения и тормозит его в плотных слоях атмосферы. По мере приближения к району космодрома выдвигается переднее горизонтальное оперение, которое помогает изделию заходить на посадку.
Как говорится в статье, изначально аэродинамическая форма капсулы-самолёта вызывала большие сомнения у специалистов. Учёные опасались, что «такая плохо обтекаемая конструкция может быть по самолётному типу безопасно возвращена на Землю».
Чтобы оценить риски, сотрудники ВКА провели аэродинамические расчёты и продувки в аэродинамических трубах. Эксперименты показали, что капсула с приемлемой посадочной скоростью способна приземлиться на обычный аэродром.
Как отметил Султанов, в аэродинамической схеме изделия удачно разрешаются противоречия между компактностью и потребностью снизить посадочную скорость. По словам полковника, интеграция разработанной «можайцами» технологии способна сделать ракету-носитель «модульным изделием в широком смысле этого слова».
«Впервые модульность у нас в стране применена на ракете «Ангара» в отношении компоновки нижних ступеней, а мы предлагаем использовать модуль в задаче многоразовости. И это впервые предложено нами», — подчеркнул Султанов.
Как полагает офицер, технология ВКА позволяет вывести «за один раз максимально тяжёлый космический аппарат» без применения многоразовых средств и отправить на орбиту спутники меньшей массы уже с их использованием, сэкономив «ценные ресурсы».
Кроме того, возвращение находящихся в капсуле дорогостоящих элементов позволяет гораздо лучше изучить двигательную установку на предмет наличия «наиболее слабых и критических мест». Такой детальный анализ полезен и для определения путей модернизации ракетных двигателей. В целом многоразовость позволит наиболее полно использовать заложенный в силовых агрегатах ресурс.
«Проблематика одноразовых ракет заключается в том, что ракетный двигатель впервые полноценно функционирует только в полёте. Информации, которую мы получаем по телеметрическим каналам, не хватает, для того чтобы мы могли получить обратную связь по влиянию тех или иных доработок, надёжности элементов конструкции, для понимания, как быстро происходит износ насосов, самой камеры, газогенератора», — пояснил Султанов.
В комментарии «Красной звезде» начальник кафедры конструкции ракет-носителей и ракетных двигателей полковник Сергей Пирогов сообщил, что в 2024 году появится большое количество выпускных работ, посвящённых новой технологии. Они помогут уточнить облик самолёта-капсулы и оценить затраты на послеполётное обслуживание изделия.
Опрошенные RT эксперты положительно оценили изобретение Академии им. А.Ф. Можайского. По мнению специалистов, практическая реализация этого проекта приблизит ракетно-космическую индустрию Россию к созданию системы космического запуска многоразового использования.
«Важно, что сотрудники ВКА запатентовали свою технологию. На мой взгляд, она перспективна тем, что применяет самолётный принцип возвращения на Землю. По крайней мере теоретически такой подход выглядит оправданным», — заявил в разговоре с RT ведущий научный сотрудник Института космических исследований Натан Эйсмонт.
По его словам, испытания разработки «можайцев» позволят проверить и доработать аэродинамические решения и систему управления обратным полётом.
В свою очередь, в комментарии RT научный редактор «Роскосмос медиа», историк ракетно-космической техники Игорь Афанасьев указал на то, что проект сотрудников ВКА призван удешевить запуски как военных, так гражданских спутников.
«Данная технология универсальна и сама полезная нагрузка может быть любой. Конечно, по понятным причинам, «можайцы» описали далеко не всё, что было разработано. На самом есть много сложностей, связанных с тем, что самолёт-капсула не может возвращаться без топлива и дополнительного бортового оборудования. Однако очевидно, что данные вопросы были тщательно проработаны сотрудниками академии», — считает Афанасьев.
От «Ангары» до «Короны»
Напомним, в последние годы в России прорабатывается несколько технологий возвращения ракетных двигателей после вывода на орбиту полезной нагрузки. Одну из них создаёт коллектив Государственного космического научно-производственного центра имени М.В. Хруничева (ГКНПЦ, входит в «Роскосмос»). Предприятие планирует оснастить многоразовыми ступенями ракету-носитель тяжёлого класса «Ангара-А5В». Первый полёт запланирован на начало 2024 года с космодрома Восточный.
«Ангара» — новое семейство ракет-носителей грузоподъёмностью от 3,5 т до 38 т. Все носители оснащаются универсальным ракетным модулем (УРМ), который состоит из баков окислителя, горючего и двигательного отсека. Как сообщается на сайте ГКНПЦ, широкая унификация комплектующих в сочетании с уникальными техническими решениями позволяют запускать все ракеты семейства с одной пусковой установки. Государственными заказчиками ракет выступают Минобороны РФ и Роскосмос.
«Ангара-А5» — это тяжёлая трёхступенчатая ракета. На первой и второй ступенях используется жидкостный ракетный двигатель РД-191, на третьей — силовая установка под обозначением РД-0124А. Модификация «Ангара-А5В» способна выводить на низкую околоземную орбиту спутники общей массой 37,5 т.
Ещё одним проектом, где планируется внедрить принцип многоразовости, является перспективная ракета-носитель «Корона». Над её созданием сейчас работает Государственный ракетный центр (ГРЦ) имени В. П. Макеева. «Корону» можно будет применять до 100 раз. Согласно предварительным расчётам, стоимость выведения полезной нагрузки будет предельно низкой.
«На подтверждение технологий создания многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя направлена научно-исследовательская работа, предполагаемая к выполнению в 2023-2025 годах с привлечением предприятий госкорпорации «Роскосмос», — заявил ранее академик РАН, гендиректор ГРЦ Владимир Дегтярь.
Как и «Ангара», «Корона» будет запускаться с космодрома Восточный. Стартовая масса многоразовой ракеты будет превышать 300 т, масса полезной нагрузки при однопусковой системе выведения — 5,5 т, при двухпусковой — 10,6 т.
«Это полностью многоразовая одноступенчатая ракета-носитель вертикального взлёта и посадки, способная как выводить грузы на орбиту, так и возвращать их обратно на Землю. Она может использоваться как транспортное средство при суборбитальных полётах типа «точка—точка» неограниченной дальности», —говорится в материалах Роскосмоса.
По словам Натана Эйсмонта, реализация подобных проектов призвана отработать технологии многоразовых пусков, которые будут финансово оправданными. С этой целью в создание новых ракет-носителей вкладываются весьма солидные средства.
«Идеи российских учёных и конструкторов, которые успешно прошли научно-исследовательскую стадию, имеет смысл воплощать в металле и отправлять на реальные испытания. Только так получится отработать все нюансы и добиться того, что принято называть мягким приземлением. Многоразовость должна быть финансово оправданной, но для этого требуются большие инвестиции», — подчеркнул Эйсмонт.
Как считает Игорь Афанасьев, технологии многоразового использования ракетных двигателей будут окупаться по мере увеличения количества запусков. По его мнению, схемы одноразовых запусков хорошо отработаны, но, по большому счёту, уже тормозят прогресс в ракетно-космической отрасли.
«Весь мир пытается переходить на многоразовые ракеты-носители, и все понимают, что эти запуски будут финансово оправданы только в промышленных масштабах. В России проекты в этой сфере поддерживаются как на уровне отрасли и Минобороны, так и высшего руководства страны. Я уверен, что они непременно дадут весомый практический результат», — резюмировал Афанасьев.