Ulkoavaruuden valloittamisesta on tullut yksi ihmiskunnan tärkeimmistä ja aikakauteen vaikuttavista saavutuksista. Kantorakettien ja niiden laukaisuun tarvittavan infrastruktuurin luominen vaati valtavia ponnisteluja maailman johtavilta mailta. Meidän aikanamme on taipumus luoda täysin uudelleenkäytettäviä kantoraketteja, jotka kykenevät suorittamaan kymmeniä lentoja avaruuteen. Niiden kehittäminen ja toiminta vaatii edelleen valtavia resursseja, jotka voidaan myöntää vain valtioille tai suurille yrityksille (jälleen valtion tuella).
XXI-luvun alussa elektronisten komponenttien parantaminen ja pienentäminen mahdollistivat pienikokoisten satelliittien (ns. "Mikrosatelliitit" ja "nanosatelliitit") luomisen, joiden massa on välillä 1-100 kg. Viime aikoina puhumme "pikosatelliiteista" (paino 100 g - 1 kg) ja "femto -satelliiteista" (paino alle 100 g). Tällaiset satelliitit voidaan laukaista eri asiakkaiden ryhmittelyrahtina tai ohituskuormana "suurille" avaruusaluksille (SC). Tämä laukaisumenetelmä ei ole aina kätevä, koska nanosatelliittien valmistajien (seuraavassa käytämme tätä nimitystä erittäin pienien avaruusalusten kaikkien mittojen osalta) on sopeuduttava asiakkaiden aikatauluun päärahdin laukaisemiseksi sekä eroja laukaisuratoilla.
Tämä on johtanut kysyntään erittäin pieniltä kantoraketteilta, jotka kykenevät laukaisemaan noin 1-100 kg painavia avaruusaluksia.
DARPA ja KB "MiG"
Monia ultrakevyitä kantorakettia koskevia projekteja oli ja niitä kehitetään parhaillaan - laukaisu maasta, ilmasta ja mereltä. Erityisesti amerikkalainen virasto DARPA työskenteli aktiivisesti erittäin pienien avaruusalusten nopean laukaisun ongelman parissa. Erityisesti voidaan muistaa vuonna 2012 käynnistetty ALASA-hanke, jonka puitteissa suunniteltiin luoda pienikokoinen raketti, joka on suunniteltu laukaisemaan F-15E-hävittäjästä ja laukaisemaan jopa 45 kg painavia satelliitteja matalalle vertailurata-alueelle. (LEO).
Rakettiin asennetun rakettimoottorin piti toimia NA-7-monopropellantilla, mukaan lukien monopropyleeni, typpioksidi ja asetyleeni. Käynnistyskustannukset eivät saaneet ylittää miljoona dollaria. Oletettavasti juuri polttoaineongelmat, erityisesti sen itsesyttyminen ja räjähdysalttius, lopettivat tämän hankkeen.
Vastaavaa hanketta valmisteltiin Venäjällä. Vuonna 1997 MiG-suunnittelutoimisto alkoi yhdessä KazKosmosin (Kazakstan) kanssa kehittää hyötykuorman (PN) laukaisujärjestelmää muunnetun MiG-31I-sieppaajan (Ishim) avulla. Hanke kehitettiin MiG-31D: n satelliittivastaisen muunnoksen luomisen pohjatyön perusteella.
Kolmivaiheisen raketin, joka laukaistiin noin 17 000 metrin korkeudessa ja nopeudella 3 000 km / h, oli tarkoitus tarjota 160 kg: n hyötykuorma kiertoradalle 300 kilometrin korkeudessa ja 120 kg: n hyötykuorma kiertoradalle 600 kilometrin korkeudessa.
Venäjän vaikea taloudellinen tilanne 90 -luvun lopulla ja 2000 -luvun alussa ei mahdollistanut tämän hankkeen toteuttamista metallina, vaikka on mahdollista, että kehitysprosessissa saattaa ilmetä teknisiä esteitä.
Monia muita ultrakevyiden kantorakettien hankkeita oli. Niiden erottuva piirre voidaan pitää valtion rakenteiden tai suurten (käytännössä "valtiollisten") yritysten hankkeiden kehittämistä. Monimutkaisia ja kalliita alustoja, kuten hävittäjiä, pommikoneita tai raskaita kuljetuskoneita, oli usein käytettävä laukaisualustoina.
Kaikki tämä yhdessä monimutkaisti kehitystä ja lisäsi kompleksien kustannuksia, ja nyt johto ultrakevyiden kantorakettien luomisessa on siirtynyt yksityisten yritysten käsiin.
Rakettien laboratorio
Yksi menestyksekkäimmistä ja tunnetuimmista ultrakevyiden rakettien hankkeista voidaan pitää amerikkalais-uusi-seelantilaisen Rocket Lab -yhtiön "Electron" -kantorakettina. Tämä kaksivaiheinen raketti, jonka massa on 12 550 kg, pystyy laukaisemaan 250 kg PS: ää tai 150 kg PS: ää auringon synkroniselle kiertoradalle (SSO), jonka korkeus on 500 kilometriä LEO: hon. Yhtiö aikoo laukaista jopa 130 ohjusta vuodessa.
Raketin rakenne on valmistettu hiilikuidusta; nestemäistä polttoainetta käyttäviä suihkumoottoreita (LRE) käytetään polttoaineparilla kerosiini + happi. Suunnittelun yksinkertaistamiseksi ja kustannusten alentamiseksi se käyttää virtalähteenä litiumpolymeeriakkuja, pneumaattisia ohjausjärjestelmiä ja polttoaineen syrjäyttämistä säiliöistä, jotka toimivat paineistetulla heliumilla. Nestemäistä polttoainetta käyttävien rakettimoottoreiden ja muiden rakettikomponenttien valmistuksessa käytetään aktiivisesti lisäaineita.
On huomattava, että Rocket Labin ensimmäinen raketti oli Kosmos-1-meteoriittiraketti (maori kielellä Atea-1), joka pystyi nostamaan 2 kg hyötykuormaa noin 120 kilometrin korkeuteen.
Lin Industrial
Rocket Labin venäläistä "analogia" voidaan kutsua yritykseksi "Lin Industrial", joka kehittää projekteja sekä yksinkertaisimmalle 100 km: n korkeuteen asti pystyvälle suborbitaaliselle raketille että kantoraketeille, jotka on suunniteltu tuottamaan hyötykuormaa LEO: lle ja SSO: lle.
Vaikka suborbitaalisten ohjusten (pääasiassa meteorologisten ja geofysikaalisten rakettien) markkinoita hallitsevat kiinteän polttoaineen moottoreilla varustetut ratkaisut, Lin Industrial rakentaa suborbitaalisen raketinsa kerosiinilla ja vetyperoksidilla toimiviin nestepolttoainerakettimoottoreihin. Todennäköisesti tämä johtuu siitä, että Lin Industrial näkee pääsuuntansa kehityksessä kantoraketin kaupallisessa laukaisussa kiertoradalle ja nestemäistä polttoainetta käyttävää suborbitaalista rakettia käytetään todennäköisemmin teknisten ratkaisujen kehittämiseen.
Lin Industrialin pääprojekti on Taimyr -ultrakevyt kantoraketti. Alun perin hanke sisälsi modulaarisen asettelun, jossa moduulien sarja-rinnakkainen järjestely, joka mahdollistaa kantoraketin muodostamisen ja mahdollisuuden lähettää LEO: lle 10-180 kg: n hyötykuorman. Muutos laukaisukoneen vähimmäismassassa oli tarkoitus varmistaa muuttamalla universaalien ohjusyksiköiden (UBR)-URB-1, URB-2 ja URB-3-lukumäärää ja kolmannen vaiheen RB-2 -rakettiyksikköä.
Taimyr -kantoraketin moottoreiden on toimittava kerosiinilla ja väkevällä vetyperoksidilla; polttoaine on toimitettava syrjäytetyllä heliumilla. Suunnittelun odotetaan käyttävän laajalti komposiittimateriaaleja, mukaan lukien hiilikuituvahvisteiset muovit ja 3D-painetut komponentit.
Myöhemmin Lin Industrial -yritys luopui modulaarisesta järjestelmästä - kantoraketista tuli kaksivaiheinen, ja portaat järjestettiin peräkkäin, minkä seurauksena Taimyr -kantoraketin ulkonäkö alkoi muistuttaa Electron -kantoraketin ulkonäköä Rocket Lab. Myös kompressoidun heliumin syrjäytysjärjestelmä korvattiin polttoaineen syöttämisellä paristoilla toimivilla sähköpumpuilla.
Taimyr LV: n ensimmäinen lanseeraus on suunniteltu vuonna 2023.
IHI Aerospace
Yksi mielenkiintoisimmista ultrakevyistä kantoraketeista on japanilainen SSH-520 kolmivaiheinen kiinteän polttoaineen raketti, jonka valmistaa IHI Aerospace ja joka on luotu S-520-geofysikaalisen raketin pohjalta lisäämällä kolmas vaihe ja vastaavat hienosäädöt laivojen järjestelmissä. SS-520-raketin korkeus on 9,54 metriä, halkaisija 0,54 metriä, laukaisupaino 2600 kg. LEO: lle toimitettu hyötykuorma on noin 4 kg.
Ensimmäisen vaiheen runko on valmistettu lujasta teräksestä, toinen vaihe hiilikuitukomposiitista, pään suojus lasikuitua. Kaikki kolme vaihetta ovat kiinteää polttoainetta. SS-520 LV: n ohjausjärjestelmä kytketään päälle määräajoin ensimmäisen ja toisen vaiheen erotushetkellä, ja loput ajasta raketti vakautuu pyörimällä.
3. helmikuuta 2018 SS-520-4 LV lanseerasi menestyksekkäästi 3 kilogramman painoisen TRICOM-1R-kuutio, joka on suunniteltu osoittamaan mahdollisuutta luoda avaruusaluksia kulutuselektroniikan komponenteista. Julkaisuhetkellä SS-520-4 LV oli maailman pienin kantoraketti, joka on rekisteröity Guinnessin ennätysten kirjaan.
Erittäin pieniä kantoraketteja, jotka perustuvat kiinteän polttoaineen meteorologisiin ja geofysikaalisiin raketteihin, voi olla melko lupaava suunta. Tällaisia ohjuksia on helppo ylläpitää, ne voidaan varastoida pitkään sellaisessa kunnossa, että ne valmistuvat laukaisuun mahdollisimman lyhyessä ajassa.
Rakettimoottorin hinta voi olla noin 50% raketin hinnasta, ja on epätodennäköistä, että se saavutetaan alle 30%: iin, vaikka lisäteknologioiden käyttö olisi otettu huomioon. Kiinteän polttoaineen kantoraketteissa ei käytetä kryogeenistä hapetinta, joka vaatii erityisiä varastointi- ja tankkausolosuhteita juuri ennen laukaisua. Samaan aikaan kiinteiden ponneaineiden valmistuksessa kehitetään myös lisätekniikoita, jotka mahdollistavat vaaditun kokoonpanon "tulostamisen".
Erittäin kevyiden kantorakettien kompaktit mitat yksinkertaistavat niiden kuljetusta ja mahdollistavat laukaisun planeetan eri kohdista tarvittavan kiertoradan kaltevuuden saavuttamiseksi. Erittäin kevyille kantoraketeille tarvitaan paljon yksinkertaisempi laukaisualusta kuin "suurille" raketille, mikä tekee siitä liikkuvan.
Onko Venäjällä tällaisten ohjusten hankkeita ja millä perusteella ne voidaan toteuttaa?
Neuvostoliitossa tuotettiin huomattava määrä meteorologisia raketteja-MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR -20 ja geofysikaaliset raketit-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. Monet näistä malleista perustuivat ballististen ohjusten tai ohjusten sotilaalliseen kehitykseen. Ylemmän ilmakehän aktiivisen etsintävuosien aikana laukaisut nousivat 600-700 rakettiin vuodessa.
Neuvostoliiton romahtamisen jälkeen laukaisujen ja ohjustyyppien määrä väheni radikaalisti. Tällä hetkellä Roshydromet käyttää kahta kompleksia: MR-30 ja NPO Typhoon / OKB Novatorin kehittämä MN-300-raketti ja KBP JSC: n kehittämä meteorologinen ohjus MERA.
MR-30 (MN-300)
MR-30-kompleksin ohjus nostaa 50-150 kg tieteellisiä laitteita 300 kilometrin korkeuteen. Raketin MN-300 pituus on 8012 mm ja halkaisija 445 mm, laukaisupaino 1558 kg. MN-300-raketin yhden laukaisun kustannusten arvioidaan olevan 55-60 miljoonaa ruplaa.
MN-300-raketin perusteella harkitaan mahdollisuutta luoda erittäin pieni kantoraketti IR-300 lisäämällä toinen vaihe ja ylempi vaihe (itse asiassa kolmas vaihe). Itse asiassa ehdotetaan, että toistetaan melko onnistunut kokemus japanilaisen ultrakevyen SS-520-kantoraketin käyttöönotosta.
Samaan aikaan jotkut asiantuntijat ilmaisevat mielipiteensä siitä, että koska MN-300-raketin suurin nopeus on noin 2000 m / s, niin ensimmäisen kosmisen nopeuden saavuttamiseksi noin 8000 m / s, mikä on välttämätöntä kantoraketin asettamiseksi kiertoradalle, se saattaa vaatia alkuperäisen hankkeen liian vakavaa tarkistamista. joka on lähinnä uuden tuotteen kehittämistä, mikä voi johtaa lanseerauskustannusten nousuun lähes suuruusluokkaa ja tehdä siitä kannattamatonta verrattuna kilpailijoihin.
MITATA
MERA-meteorologinen raketti on suunniteltu nostamaan 2-3 kg: n hyötykuorma 110 kilometrin korkeuteen. MERA -raketin massa on 67 kg.
Ensi silmäyksellä meteorologinen raketti MERA ei sovellu käytettäväksi perustana ultrakevyen kantoraketin luomiseen, mutta samalla on joitain vivahteita, jotka mahdollistavat tämän näkökulman kyseenalaistamisen.
MERA-meteorologinen ohjus on kaksivaiheinen bikaliber, ja vain ensimmäinen vaihe suorittaa kiihtyvyystoiminnon, toinen-erottamisen jälkeen lentää hitauden vuoksi, mikä tekee tästä kompleksista samanlaisen kuin Tunguskan ja ilma-ohjatut ohjukset (SAM) Pantsir-ilmatorjuntaohjus- ja tykkikompleksit (ZRPK). Itse asiassa näiden kompleksien ilmatorjuntaohjusjärjestelmien ohjusten perusteella luotiin meteorologinen raketti MERA.
Ensimmäinen vaihe on komposiittirunko, johon on sijoitettu kiinteä ponneaine. 2,5 sekunnissa ensimmäinen vaihe kiihdyttää meteorologisen raketin nopeuteen 5 M (äänen nopeudet), mikä on noin 1500 m / s. Ensimmäisen vaiheen halkaisija on 170 mm.
MERA -meteorologisen raketin ensimmäinen vaihe, joka on valmistettu rullaamalla komposiittimateriaalia, on erittäin kevyt (verrattuna saman kokoisiin teräs- ja alumiinirakenteisiin) - sen paino on vain 55 kg. Lisäksi sen kustannusten tulisi olla merkittävästi alhaisemmat kuin hiilikuiduista valmistettujen ratkaisujen.
Tämän perusteella voidaan olettaa, että meteorologisen raketin MERA ensimmäisen vaiheen perusteella voidaan kehittää yhtenäinen rakettimoduuli (URM), joka on suunniteltu ultrakevyiden kantorakettien vaiheiden erämuodostusta varten
Itse asiassa tällaisia moduuleja on kaksi, ne eroavat rakettimoottorin suuttimesta, jotka on optimoitu vastaavasti käytettäväksi ilmakehässä tai tyhjiössä. Tällä hetkellä JSC KBP: n käämitysmenetelmällä valmistamien kuorien suurin halkaisija on oletettavasti 220 mm. On mahdollista, että halkaisijaltaan ja pituudeltaan suuremman komposiittikotelon valmistus on teknisesti toteutettavissa.
Toisaalta on mahdollista, että optimaalinen ratkaisu olisi rungon valmistus, jonka koko yhdistetään kaikkiin Pantsirin ilmatorjuntaohjusjärjestelmään käytettäviin ampumatarvikkeisiin, Hermes -kompleksin ohjattuihin ohjuksiin tai MERA -meteorologisiin raketteihin. pienentää yksittäisen tuotteen kustannuksia lisäämällä samantyyppisten tuotteiden sarjajulkaisujen määrää.
Kantoraketin vaiheet tulisi rekrytoida URM: stä kiinnitettynä rinnakkain, kun taas vaiheiden erottaminen suoritetaan poikittain - URM: n pituussuuntaista erottamista vaiheessa ei ole. Voidaan olettaa, että tällaisen kantoraketin vaiheilla on suuri loismassa verrattuna halkaisijaltaan suurempaan yksilohkoiseen runkoon. Tämä on osittain totta, mutta komposiittimateriaaleista valmistetun kotelon pieni paino mahdollistaa tämän haitan suurelta osin tasoittamisen. Voi osoittautua, että halkaisijaltaan suuri kotelo, joka on valmistettu samanlaisella tekniikalla, on paljon vaikeampi ja kalliimpi valmistaa, ja sen seinät on tehtävä paljon paksummiksi rakenteen tarvittavan jäykkyyden varmistamiseksi kuin liitettyjen URM-laitteiden paketilla, niin että lopulta on paljon monolohkoja ja pakettiratkaisut ovat vertailukelpoisia viimeksi mainitun halvemmalla. Ja on erittäin todennäköistä, että teräs- tai alumiinikotelo on raskaampi kuin pakattu komposiittikotelo.
URM: n rinnakkaiskytkentä voidaan suorittaa käyttämällä tasaisia komposiittijyrsittyjä elementtejä, jotka sijaitsevat portaan ylä- ja alaosissa (URM -rungon kaventumispisteissä). Tarvittaessa voidaan käyttää muita komposiittimateriaaleista valmistettuja tasoitteita. Rakenteen, teknologisten ja halpojen teollisuusmateriaalien kustannusten vähentämiseksi on käytettävä mahdollisimman lujia liimoja.
Samoin LV-portaat voidaan yhdistää toisiinsa komposiittiputkimaisilla tai lujittavilla elementeillä, ja rakenne voi olla erottamattomia, kun portaat on erotettu toisistaan, kantavat elementit voidaan tuhota pyrolatauksilla hallitulla tavalla. Lisäksi luotettavuuden lisäämiseksi pyro -varauksia voidaan sijoittaa useisiin peräkkäin sijaitseviin tukirakenteen pisteisiin ja ne voidaan käynnistää sekä sähköisellä sytytyksellä että korkeamman tason moottorien liekistä suoraan sytytyksellä, kun ne kytketään päälle (ammuntaan) alempi vaihe, jos sähköinen sytytys ei toiminut).
Kantorakettia voidaan ohjata samalla tavalla kuin japanilaisessa ultrakevyessä kantoraketissa SS-520. Mahdollisuus asentaa Pantsirin ilmatorjuntaohjusjärjestelmään asennettu radio -ohjauksen ohjausjärjestelmä voidaan myös katsoa korjaavan kantoraketin laukaisun ainakin osassa lentotietä (ja mahdollisesti kaikissa lento). Mahdollisesti tämä vähentää kertakäyttöisen raketin kalliiden laitteiden määrää kuljettamalla ne "uudelleenkäytettävään" ohjausajoneuvoon.
Voidaan olettaa, että kun otetaan huomioon tukirakenne, liitososat ja ohjausjärjestelmä, lopputuote pystyy toimittamaan LEO: lle hyötykuorman, joka painaa useita kiloja - useita kymmeniä kiloja (yhdistettyjen rakettimoduulien määrästä riippuen) vaiheissa) ja kilpaile japanilaisen ultrakevyen SS-LV.520: n ja muiden vastaavien venäläisten ja ulkomaisten yritysten kehittämien ultrakevyiden kantorakettien kanssa.
Hankkeen onnistuneen kaupallistamisen kannalta erittäin kevyen MERA-K-kantoraketin laukaisun arvioidut kustannukset eivät saisi ylittää 3,5 miljoonaa dollaria (nämä ovat SS-520-kantoraketin laukaisukustannukset).
Kaupallisten sovellusten lisäksi kantorakettia MERA-K voidaan käyttää sotilaallisten avaruusalusten hätäpoistumiseen, joiden koko ja paino pienenevät myös vähitellen.
Myös kantoraketin MERA-K toteuttamisen aikana saavutettua kehitystä voidaan käyttää kehittyneiden aseiden luomiseen, esimerkiksi hypersonic-kompleksi, jossa on perinteinen taistelukärki kompaktin purjelentokoneen muodossa, joka pudotetaan laukaisun käynnistämisen jälkeen ajoneuvosta liikeradan ylempään pisteeseen.
