Die Eroberung des Weltraums ist zu einer der wichtigsten und epochalsten Errungenschaften der Menschheit geworden. Die Schaffung von Trägerraketen und der Infrastruktur für ihren Start erforderte enorme Anstrengungen der führenden Länder der Welt. In unserer Zeit besteht die Tendenz, vollständig wiederverwendbare Trägerraketen zu entwickeln, die Dutzende von Flügen in den Weltraum durchführen können. Deren Entwicklung und Betrieb erfordert noch immer enorme Ressourcen, die nur von Staaten oder großen Konzernen (wieder mit staatlicher Unterstützung) bereitgestellt werden können.
Zu Beginn des XXI Jahrhunderts ermöglichte die Verbesserung und Miniaturisierung elektronischer Komponenten die Herstellung kleiner Satelliten (die sogenannten "Mikrosatelliten" und "Nanosatelliten"), deren Masse im Bereich von 1-100 liegt kg. In letzter Zeit sprechen wir von "Pikosatelliten" (mit einem Gewicht von 100 g bis 1 kg) und "Femto-Satelliten" (mit einem Gewicht von weniger als 100 g). Solche Satelliten können als Sammelgut von verschiedenen Kunden oder als Durchgangsladung zu "großen" Raumfahrzeugen (SC) gestartet werden. Diese Startmethode ist nicht immer bequem, da sich die Hersteller von Nanosatelliten (im Folgenden werden wir diese Bezeichnung für alle Dimensionen von ultrakleinen Raumfahrzeugen verwenden) an den Zeitplan der Kunden für den Start der Hauptfracht anpassen müssen, sowie aufgrund von Unterschiede in den Startbahnen.
Dies hat zu einer Nachfrage nach ultrakleinen Trägerraketen geführt, die Raumfahrzeuge mit einem Gewicht von etwa 1 bis 100 kg starten können.
DARPA und KB "MiG"
Es wurden und werden viele Projekte von Ultraleicht-Trägerraketen entwickelt – mit Boden-, Luft- und Seestart. Insbesondere die amerikanische Agentur DARPA beschäftigte sich aktiv mit dem Problem des schnellen Starts von ultrakleinen Raumfahrzeugen. Insbesondere ist an das 2012 gestartete ALASA-Projekt zu erinnern, in dessen Rahmen geplant war, eine kleine Rakete zu entwickeln, die von einem F-15E-Jäger aus starten und Satelliten mit einem Gewicht von bis zu 45 kg in eine niedrige Referenzumlaufbahn bringen soll (LÖWE).
Das auf der Rakete installierte Raketentriebwerk musste mit NA-7-Monotreibstoff betrieben werden, einschließlich Monopropylen, Lachgas und Acetylen. Die Startkosten sollten 1 Million US-Dollar nicht überschreiten. Vermutlich waren es Probleme mit dem Kraftstoff, insbesondere mit seiner Selbstentzündung und Explosionsneigung, die diesem Projekt ein Ende setzten.
Ein ähnliches Projekt wurde in Russland ausgearbeitet. 1997 begann das MiG-Designbüro zusammen mit KazKosmos (Kasachstan) mit der Entwicklung eines Nutzlast (PN)-Abschusssystems mit einem umgebauten MiG-31I-Abfangjäger (Ishim). Das Projekt wurde auf der Grundlage der Vorarbeiten zur Schaffung einer Anti-Satelliten-Modifikation der MiG-31D entwickelt.
Die dreistufige Rakete, die in einer Höhe von etwa 17.000 Metern und einer Geschwindigkeit von 3.000 km / h gestartet wurde, sollte eine Nutzlast von 160 kg in einer Höhe von 300 Kilometern in die Umlaufbahn und eine Nutzlast von 120 kg in eine Umlaufbahn bringen auf einer Höhe von 600 Kilometern.
Die schwierige finanzielle Situation in Russland Ende der 90er und Anfang der 2000er Jahre ließ es nicht zu, dieses Projekt in Metall zu realisieren, obwohl es im Entwicklungsprozess zu technischen Hindernissen kommen kann.
Es gab viele andere Projekte von ultraleichten Trägerraketen. Ihr Unterscheidungsmerkmal kann als die Entwicklung von Projekten durch staatliche Strukturen oder große (praktisch "staatliche") Unternehmen angesehen werden. Als Startplattformen mussten oft aufwendige und teure Plattformen wie Jäger, Bomber oder schwere Transportflugzeuge eingesetzt werden.
All dies zusammen erschwerte die Entwicklung und erhöhte die Kosten der Komplexe, und jetzt ist die Führung bei der Entwicklung von Ultraleicht-Trägerraketen in die Hände privater Unternehmen übergegangen.
Raketenlabor
Als eines der erfolgreichsten und bekanntesten Projekte von Ultraleichtraketen kann die Trägerrakete "Electron" des amerikanisch-neuseeländischen Unternehmens Rocket Lab bezeichnet werden. Diese zweistufige Rakete mit einer Masse von 12.550 kg ist in der Lage, 250 kg PS oder 150 kg PS in eine sonnensynchrone Umlaufbahn (SSO) mit einer Höhe von 500 Kilometern in LEO zu schießen. Das Unternehmen plant, bis zu 130 Raketen pro Jahr zu starten.
Das Design der Rakete besteht aus Kohlefaser, Flüssigtreibstoff-Düsentriebwerke (LRE) werden mit einem Treibstoffpaar aus Kerosin + Sauerstoff verwendet. Um das Design zu vereinfachen und die Kosten zu senken, verwendet es Lithium-Polymer-Batterien als Stromquelle, pneumatische Steuersysteme und ein System zum Verdrängen von Kraftstoff aus Tanks, das mit komprimiertem Helium betrieben wird. Bei der Herstellung von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken und anderen Raketenkomponenten werden additive Technologien aktiv eingesetzt.
Es ist anzumerken, dass die erste Rakete von Rocket Lab die meteorologische Rakete Kosmos-1 (Atea-1 in der Sprache der Maori) war, die 2 kg Nutzlast auf eine Höhe von etwa 120 Kilometern heben konnte.
Lin Industrial
Das russische „Analogon“von Rocket Lab kann als Unternehmen „Lin Industrial“bezeichnet werden, das sowohl Projekte für die einfachste suborbitale Rakete entwickelt, die eine Höhe von 100 km erreichen kann, als auch für Trägerraketen, die Nutzlasten an LEO und SSO ausgeben.
Obwohl der Markt für Suborbitalraketen (vor allem meteorologische und geophysikalische Raketen) von Lösungen mit Festbrennstoffmotoren dominiert wird, baut Lin Industrial seine Suborbitalrakete auf Basis von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken, die mit Kerosin und Wasserstoffperoxid betrieben werden. Dies liegt höchstwahrscheinlich daran, dass Lin Industrial seine Hauptentwicklungsrichtung im kommerziellen Start der Trägerrakete in den Orbit sieht und die Flüssigtreibstoff-Suborbitalrakete eher zur Entwicklung technischer Lösungen genutzt wird.
Das Hauptprojekt von Lin Industrial ist die ultraleichte Trägerrakete Taimyr. Das Projekt sah zunächst einen modularen Aufbau mit einer seriell-parallelen Anordnung von Modulen vor, der die Bildung einer Trägerrakete mit der Möglichkeit der Ausgabe einer Nutzlast von 10 bis 180 kg an LEO ermöglicht. Die Änderung der Mindestmasse der gestarteten Trägerrakete sollte durch die Änderung der Anzahl der universellen Raketeneinheiten (UBR) - URB-1, URB-2 und URB-3 und der Raketeneinheit der dritten Stufe RB-2 - sichergestellt werden.
Die Triebwerke der Trägerrakete Taimyr müssen mit Kerosin und konzentriertem Wasserstoffperoxid betrieben werden, der Treibstoff muss durch Verdrängung mit komprimiertem Helium zugeführt werden. Es wird erwartet, dass das Design in großem Umfang Verbundwerkstoffe verwendet, einschließlich kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe und 3D-gedruckter Komponenten.
Später gab das Unternehmen Lin Industrial das modulare Schema auf - die Trägerrakete wurde zweistufig mit einer sequentiellen Anordnung von Stufen, wodurch das Erscheinungsbild der Taimyr-Trägerrakete dem Erscheinungsbild der Electron-Trägerrakete ähnelte Raketenlabor. Außerdem wurde das Verdrängungssystem mit komprimiertem Helium durch eine Kraftstoffversorgung mit batteriebetriebenen Elektropumpen ersetzt.
Der erste Start des Taimyr LV ist für 2023 geplant.
IHI Luft- und Raumfahrt
Eine der interessantesten Ultraleicht-Trägerraketen ist die japanische SS-520-Dreistufen-Feststoffrakete von IHI Aerospace, die auf Basis der geophysikalischen S-520-Rakete durch Hinzufügen einer dritten Stufe und entsprechende Verfeinerung der Bordsysteme erstellt wurde. Die Höhe der SS-520-Rakete beträgt 9,54 Meter, der Durchmesser beträgt 0,54 Meter, das Startgewicht beträgt 2600 kg. Die an LEO gelieferte Nutzlastmasse beträgt ca. 4 kg.
Der Körper der ersten Stufe besteht aus hochfestem Stahl, die zweite Stufe besteht aus Kohlefaser-Verbundstoff, die Kopfverkleidung besteht aus Fiberglas. Alle drei Stufen sind feste Brennstoffe. Das Steuersystem der SS-520 LV wird zum Zeitpunkt der Trennung der ersten und zweiten Stufe periodisch eingeschaltet und die restliche Zeit wird die Rakete durch Rotation stabilisiert.
Am 3. Februar 2018 startete die SS-520-4 LV erfolgreich einen TRICOM-1R-Cubesat mit einer Masse von 3 Kilogramm, der die Möglichkeit demonstrieren soll, Raumfahrzeuge aus Komponenten der Unterhaltungselektronik zu bauen. Zum Zeitpunkt des Starts war die SS-520-4 LV die kleinste Trägerrakete der Welt, die im Guinness-Buch der Rekorde eingetragen ist.
Die Entwicklung von ultrakleinen Trägerraketen basierend auf meteorologischen und geophysikalischen Feststoffraketen kann eine vielversprechende Richtung sein. Solche Flugkörper sind leicht zu warten, können lange Zeit in einem Zustand gelagert werden, der ihre Startvorbereitung in kürzester Zeit gewährleistet.
Die Kosten eines Raketenantriebs können etwa 50 % der Kosten einer Rakete betragen, und es ist unwahrscheinlich, dass ein Wert unter 30 % erreicht werden kann, selbst wenn man additive Technologien berücksichtigt. In Festtreibstoff-Trägerraketen wird kein kryogenes Oxidationsmittel verwendet, was unmittelbar vor dem Start besondere Lager- und Betankungsbedingungen erfordert. Gleichzeitig werden für die Herstellung von Festtreibstoffladungen auch Additivtechnologien entwickelt, die es ermöglichen, Treibstoffladungen in der gewünschten Konfiguration zu „drucken“.
Die kompakten Abmessungen der Ultraleicht-Trägerraketen vereinfachen ihren Transport und ermöglichen den Start von verschiedenen Punkten des Planeten, um die erforderliche Bahnneigung zu erreichen. Für ultraleichte Trägerraketen wird eine viel einfachere Startplattform benötigt als für "große" Raketen, was sie mobil macht.
Gibt es Projekte solcher Raketen in Russland und auf welcher Grundlage können diese umgesetzt werden?
In der UdSSR wurde eine bedeutende Anzahl meteorologischer Raketen produziert - MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR -20 und geophysikalische Raketen - R-1A, R-1B, R-1V, R-1E, R-1D, R-2A, R-11A, R-5A, R-5B, R-5V, "Vertikal", K65UP, MR-12, MR-20, MN-300, 1Ya2TA. Viele dieser Designs basierten auf militärischen Entwicklungen bei ballistischen Raketen oder Flugabwehrraketen. Während der Jahre der aktiven Erforschung der oberen Atmosphäre erreichte die Zahl der Starts 600-700 Raketen pro Jahr.
Nach dem Zusammenbruch der UdSSR wurde die Anzahl der Starts und Arten von Raketen radikal reduziert. Derzeit verwendet Roshydromet zwei Komplexe - die MR-30 mit der von der NPO Typhoon / OKB Novator entwickelten Rakete MN-300 und die von KBP JSC entwickelte meteorologische Rakete MERA.
MR-30 (MN-300)
Die Rakete des MR-30-Komplexes ermöglicht das Heben von 50-150 kg wissenschaftlicher Ausrüstung auf eine Höhe von 300 Kilometern. Die Länge der MN-300-Rakete beträgt 8012 mm bei einem Durchmesser von 445 mm, das Startgewicht beträgt 1558 kg. Die Kosten für einen Start der MN-300-Rakete werden auf 55-60 Millionen Rubel geschätzt.
Auf der Grundlage der MN-300-Rakete wird die Möglichkeit erwogen, eine ultrakleine Trägerrakete IR-300 durch Hinzufügen einer zweiten Stufe und einer oberen Stufe (eigentlich einer dritten Stufe) zu schaffen. Das heißt, es wird vorgeschlagen, die ziemlich erfolgreiche Erfahrung mit der Implementierung der japanischen ultraleichten Trägerrakete SS-520 zu wiederholen.
Gleichzeitig äußern einige Experten die Meinung, dass, da die Höchstgeschwindigkeit der MN-300-Rakete etwa 2000 m / s beträgt, die erste kosmische Geschwindigkeit von etwa 8000 m / s erreicht werden muss, die zum Setzen der Trägerrakete erforderlich ist in die Umlaufbahn zu bringen, kann dies eine zu ernsthafte Überarbeitung des ursprünglichen Projekts erfordern.
MESSEN
Die meteorologische Rakete MERA soll eine Nutzlast von 2-3 kg auf eine Höhe von 110 Kilometern heben. Die Masse der MERA-Rakete beträgt 67 kg.
Auf den ersten Blick ist die meteorologische Rakete MERA als Basis für den Bau einer ultraleichten Trägerrakete absolut ungeeignet, aber gleichzeitig gibt es einige Nuancen, die es ermöglichen, diese Sichtweise in Frage zu stellen.
Die meteorologische Rakete MERA ist ein zweistufiges Bikaliber, und nur die erste Stufe übernimmt die Beschleunigungsfunktion, die zweite - nach der Trennung fliegt durch Trägheit, wodurch dieser Komplex den Flugabwehrlenkflugkörpern (SAM) der Tunguska ähnelt und Pansir Flugabwehrraketen- und Kanonenkomplexe (ZRPK). Tatsächlich wurde auf der Grundlage von Raketen für die Flugabwehr-Raketensysteme dieser Komplexe die meteorologische Rakete MERA geschaffen.
Die erste Stufe ist ein Verbundkörper, in den eine feste Treibladung eingelegt ist. In 2,5 Sekunden beschleunigt die erste Stufe die meteorologische Rakete auf eine Geschwindigkeit von 5M (Schallgeschwindigkeiten), was etwa 1500 m / s beträgt. Der Durchmesser der ersten Stufe beträgt 170 mm.
Die erste Stufe der meteorologischen Rakete MERA, die durch Wickeln eines Verbundmaterials hergestellt wird, ist extrem leicht (im Vergleich zu Stahl- und Aluminiumkonstruktionen ähnlicher Abmessungen) - ihr Gewicht beträgt nur 55 kg. Außerdem sollen die Kosten deutlich niedriger sein als bei Lösungen aus Kohlefaser.
Darauf aufbauend ist davon auszugehen, dass auf Basis der ersten Stufe der meteorologischen Rakete MERA ein einheitliches Raketenmodul (URM) entwickelt werden kann, das für die Stapelbildung von Stufen von Ultraleicht-Trägerraketen ausgelegt ist
Tatsächlich wird es zwei solcher Module geben, die sich in der Düse eines Raketentriebwerks unterscheiden, jeweils für den Betrieb in der Atmosphäre oder im Vakuum optimiert sind. Derzeit soll der maximale Durchmesser der von JSC KBP im Wickelverfahren hergestellten Gehäuse 220 mm betragen. Es ist möglich, dass die Herstellung von Verbundgehäusen mit einem größeren Durchmesser und einer größeren Länge technisch machbar ist.
Auf der anderen Seite ist es möglich, dass die optimale Lösung die Herstellung von Rümpfen wäre, deren Größe mit jeder Munition für das Flugabwehr-Raketensystem Pantsir, Lenkflugkörpern des Hermes-Komplexes oder meteorologischen MERA-Raketen vereinheitlicht wird die Kosten eines einzelnen Produkts zu senken, indem das Volumen der Serienfreigabe desselben Produkttyps erhöht wird.
Die Stufen der Trägerrakete sollten aus dem URM rekrutiert und parallel befestigt werden, während die Trennung der Stufen quer durchgeführt wird - die Längstrennung des URM in der Stufe ist nicht vorgesehen. Es ist davon auszugehen, dass die Stufen einer solchen Trägerrakete im Vergleich zu einem Monoblockkörper mit größerem Durchmesser eine große parasitäre Masse aufweisen. Dies ist teilweise richtig, aber das geringe Gewicht des Gehäuses aus Verbundmaterialien ermöglicht es, diesen Nachteil weitgehend auszugleichen. Es kann sich herausstellen, dass ein Gehäuse mit großem Durchmesser, das mit einer ähnlichen Technologie hergestellt wurde, viel schwieriger und teurer in der Herstellung ist und seine Wände viel dicker gemacht werden müssen, um die erforderliche Steifigkeit der Struktur zu gewährleisten als bei verbundenen URMs durch ein Paket, so dass es am Ende viele Monoblock- und Paketlösungen zu geringeren Kosten für letzteres gibt. Und es ist sehr wahrscheinlich, dass ein Monoblock-Gehäuse aus Stahl oder Aluminium schwerer ist als ein verpacktes Verbundgehäuse.
Die Parallelschaltung des URM kann durch flächige Verbundfräselemente im oberen und unteren Teil der Stufe (an den Verengungsstellen des URM-Körpers) erfolgen. Bei Bedarf können zusätzliche Estriche aus Verbundwerkstoffen eingesetzt werden. Um die Kosten in der Struktur, technologischen und billigen Industriematerialien zu reduzieren, sollten so weit wie möglich hochfeste Klebstoffe verwendet werden.
Ebenso können die NS-Stufen durch Verbundrohr- oder Verstärkungselemente miteinander verbunden sein und die Struktur kann nicht trennbar sein, wenn die Stufen getrennt sind, können die tragenden Elemente durch Pyroladungen kontrolliert zerstört werden. Darüber hinaus können zur Erhöhung der Zuverlässigkeit Pyroladungen an mehreren hintereinander angeordneten Punkten der Tragstruktur angebracht und sowohl durch elektrische Zündung als auch durch direkte Zündung aus der Flamme der Triebwerke der höheren Stufe beim Einschalten (zum Schießen) gezündet werden die untere Stufe, wenn die elektrische Zündung nicht funktioniert).
Die Trägerrakete kann wie die japanische Ultraleicht-Trägerrakete SS-520 gesteuert werden. Die Möglichkeit der Installation eines Funkbefehlskontrollsystems, ähnlich dem des Flugabwehrraketensystems Pantsir, kann auch in Betracht gezogen werden, um den Start der Trägerrakete zumindest auf einem Teil der Flugbahn (und möglicherweise in allen Phasen des Fluges) zu korrigieren der Flug). Dies wird potenziell die Menge an teurer Ausrüstung an Bord einer Einwegrakete reduzieren, indem sie zu einem „wiederverwendbaren“Kontrollfahrzeug transportiert wird.
Es ist davon auszugehen, dass das Endprodukt unter Berücksichtigung der Tragstruktur, der Verbindungselemente und der Steuerung in der Lage sein wird, eine Nutzlast von mehreren Kilogramm bis zu mehreren zehn Kilogramm an LEO zu liefern (je nach Anzahl der vereinheitlichten Raketenmodule in den Etappen) und konkurrieren mit der japanischen ultraleichten SS-LV.520 und anderen ähnlichen ultraleichten Trägerraketen, die von russischen und ausländischen Unternehmen entwickelt wurden.
Für eine erfolgreiche Kommerzialisierung des Projekts sollten die geschätzten Kosten für den Start der ultraleichten Trägerrakete MERA-K 3,5 Millionen US-Dollar nicht überschreiten (dies sind die Startkosten für die Trägerrakete SS-520).
Neben kommerziellen Anwendungen kann die Trägerrakete MERA-K auch für den Notrückzug von militärischen Raumfahrzeugen eingesetzt werden, deren Größe und Gewicht ebenfalls sukzessive abnehmen werden.
Außerdem können die bei der Implementierung der Trägerrakete MERA-K gewonnenen Entwicklungen verwendet werden, um fortschrittliche Waffen zu erstellen, beispielsweise einen Hyperschallkomplex mit einem konventionellen Gefechtskopf in Form eines kompakten Segelflugzeugs, das nach dem Start des Starts abgeworfen wird Fahrzeug zum oberen Punkt der Trajektorie.
