Der Staat braucht nicht eine superstarke Trägerrakete, sondern eine SV-Flotte
Wie Sie wissen, wurde das Hauptdokument, das die Interessen des Staates, die wichtigsten Ziele, Prioritäten und Aufgaben Russlands auf dem Gebiet der Erforschung, Erforschung und Nutzung des Weltraums definiert, im April 2013 vom Präsidenten der Russischen Föderation Wladimir Putin genehmigt „Grundlagen der Staatspolitik der Russischen Föderation im Bereich der Weltraumaktivitäten für den Zeitraum bis 2030 und darüber hinaus“.
Gemäß diesem Dokument besteht die Hauptpriorität darin, den garantierten Zugang Russlands zum Weltraum von seinem Territorium aus durch die Entwicklung und Nutzung von Weltraumtechnologien, -technologien, -werken und -diensten im Interesse des sozioökonomischen Bereichs und der Verteidigung des Landes zu gewährleisten als Sicherheit des Staates; die Schaffung von Weltraumressourcen im Interesse der Wissenschaft; Aktivitäten im Zusammenhang mit der Durchführung bemannter Flüge, einschließlich der Schaffung einer wissenschaftlich-technischen Grundlage für die Durchführung von bemannten Flügen zu Planeten und anderen Körpern des Sonnensystems im Rahmen der internationalen Zusammenarbeit.
Die Umsetzung dieser Ziele wird durch die Nutzung und Entwicklung vorhandener wissenschaftlicher, technischer und produktionstechnischer Potenziale zur Schaffung vielversprechender Trägerraketen, interorbitaler Schlepper, Ziel- und Servicesysteme automatischer Raumfahrzeuge (SC), bemannter Raumfahrzeuge der neuen Generation, Infrastrukturelemente für Aktivitäten im Weltraum und bahnbrechende Technologien zur Lösung von Zielproblemen und Produktionstechnologien.
Das Ergebnis wird die Erhaltung des Status Russlands als eine der führenden Weltraummächte sein, die Bestätigung der Eigenständigkeit bei der Unterstützung der eigenen Raumfahrtaktivitäten über das gesamte Spektrum der Aufgaben, die die Schaffung einer Orbitalkonstellation von Raumfahrzeugen auf der Grundlage einer wirtschaftlich effizienten Flotte russischer Trägerraketen.
Die Notwendigkeit, eine stabile Position und Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt für Startdienste aufrechtzuerhalten, ist ein Anreiz, die technischen und wirtschaftlichen Indikatoren von Flugzeugen zu verbessern, vor allem um ihre Energiekapazitäten zu erhöhen.
All diese Faktoren zeigten sich am deutlichsten am Beispiel des wirtschaftlich erfolgreichsten Produkts der russischen Kosmonautik - der schweren Trägerrakete "Proton". Es war der Start der Proton-Rakete in den internationalen Markt der Trägerdienste und ihre ständige Modernisierung, die es den GKNPTs ermöglichte, im. MV Chrunichev, um in den 90er Jahren und "Null" zu überleben und die industrielle Zusammenarbeit aufrechtzuerhalten, um die Wartung der russischen Orbitalgruppe von Raumfahrzeugen und die Teilnahme an internationalen Projekten zu gewährleisten.
Nutzlast auf Wettbewerbswaagen
Um zu bestimmen, welches SV im FKP-2025 entwickelt werden soll, muss man verstehen, dass die Energiekapazitäten der Trägerrakete durch die Masse der Nutzlast bestimmt werden, die in die Arbeitsumlaufbahn geschossen wird. Oft, wenn auch nicht ganz korrekt, wird bei der Bewertung der LV-Energie eine niedrige Erdumlaufbahn mit einer Höhe von 200 Kilometern und einer Neigung gleich dem Breitengrad des Startpunkts verwendet. Für den Betrieb des Raumfahrzeugs wird diese Umlaufbahn nicht als Arbeitsbahn verwendet, da aufgrund der Verlangsamung der Atmosphäre die Lebensdauer des Raumfahrzeugs darauf eine Woche nicht überschreitet. Unter der Vielzahl von Raumfahrzeugen der teuerste und ressourcenintensivste Markt für Telekommunikationsraumfahrzeuge, die in einer geostationären Umlaufbahn betrieben werden.
Kommerzielle Starts von Telekommunikationsraumfahrzeugen weisen zwei Merkmale auf. Die Masse der kommerziellen Raumfahrzeuge wächst schneller als die, die im Rahmen von Bundesprogrammen gestartet werden. Aber wie Sie auf der Grafik sehen können, ist selbst die Masse kommerzieller Raumschiffe bei weitem nicht unbegrenzt und für ihren Start ist eine superschwere Klasse LV (STK LV) vom Typ SLS überhaupt nicht erforderlich.
Auch im ballistischen Design von kommerziellen Starts gibt es Unterschiede. Es kam vor, dass ausländische Raumschiffe im Gegensatz zu inländischen nicht sofort in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht wurden, sondern in eine mittlere hochapogäische "Standard-Geotransferbahn". Das darauf von der LV getrennte Raumfahrzeug arbeitet nach einer ballistischen Pause von etwa fünf Stunden am Apogäum der Umlaufbahn mit Hilfe eines eigenen Antriebssystems einen Impuls aus, der die Bildung einer geostationären Umlaufbahn sicherstellt. Unter Berücksichtigung des Treibstoffverbrauchs sollte die Masse der Nutzlast, die in die mittlere geosynchrone Transferbahn gestartet wird, etwa 1,6-mal größer sein als in der Arbeitsbahn, dh der geostationären.
Aber kehren wir zu Proton zurück - nur die Notwendigkeit, die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt für Trägerdienste zu erhalten, ist der Grund für die Durchführung von vier Modernisierungsstufen auf Kosten von Mitteln aus kommerziellen Starts der Proton LV - von der ersten Version von Proton-K auf Proton-M und Entwicklung für die Proton-Trägerrakete der neuen Upper Stage (RB) Briz-M, die es ermöglichte, die Masse der in die geostationäre Umlaufbahn gelieferten Nutzlast von 2, 6 auf 3,5 Tonnen und in die geostationäre zu erhöhen Transferbahn - von 4,5 bis 6, 3 Tonnen. Aber egal wie gut der Träger Proton ist, seine Starts erfolgen nicht auf dem Territorium Russlands. Probleme gibt es auch bei der Treibstoffversorgung für Proton, ein hochgiftiges Heptyl, das bei Militärraketen verwendet wird und zu den Stoffen der ersten, höchsten Gefahrenklasse gehört.
Die Führung des Landes hat der Industrie die Aufgabe gestellt, von ihrem Territorium aus einen garantierten Zugang zum Weltraum zu gewährleisten - Raumfahrzeugstarts sollten mit Raketen durchgeführt werden, die in Russland entwickelt und hergestellt werden. Darüber hinaus ist es notwendig, die Umweltsicherheit von Starts zu verbessern, indem der Einsatz von giftigem Treibstoff beseitigt wird.
Diese Aufgaben sollen durch das Programm zur Schaffung einer schweren Trägerrakete "Angara" gelöst werden, die den garantierten Start von Telekommunikations- und meteorologischen Raumfahrzeugen und Raumfahrzeugen in eine geostationäre Umlaufbahn gewährleistet und die Verteidigung und Sicherheit des Staates gewährleistet.
Leider wurde die Trägerrakete "Angara" schon seit längerer Zeit entwickelt. Das Dekret der Regierung der Russischen Föderation über die Entwicklung eines Projekts eines Weltraumraketenkomplexes (SRS) einer schweren Klasse wurde aufgrund der Ergebnisse eines Wettbewerbs angenommen, der 22 Jahre vor dem ersten Start der LV stattfand. Die eigentliche Finanzierung des Programms begann nach 2005. Dadurch konnten 2014 zwei erfolgreiche Teststarts durchgeführt und ab 2016 Starts von LV mit Zielnutzlasten geplant werden. Die energetischen Fähigkeiten der Trägerrakete Angara-A5 mit einem kryogenen RB KVTK werden beim Start vom Kosmodrom Plesetsk den Start einer 4,5 Tonnen schweren Nutzlast in eine geostationäre Umlaufbahn und 7,5 Tonnen in eine geostationäre Standardumlaufbahn (bei Verwendung der Briz -M RB - 2, 9 bzw. 5, 4 Tonnen).
Beim Einsatz der Raumsonde Angara im Kosmodrom Vostochny wird die energetische Leistungsfähigkeit der Trägerrakete Angara-A5 mit einem Sauerstoff-Wasserstoff-RB des KBTK den Start einer Nutzlast von bis zu fünf Tonnen in eine geostationäre Umlaufbahn und bis zu acht Tonnen in eine geostationäre Umlaufbahn. Diese Energiereserve reicht in naher Zukunft für den Start von Raumfahrzeugen im Rahmen von Bundesprogrammen, ermöglicht jedoch keinen Wettbewerb um den Start von Raumfahrzeugen der oberen Preisklasse mit neuen ausländischen schweren Trägerraketen mit erhöhter Nutzlast - Delta-IVH, Ariane-5ECA und Atlas -5. Insbesondere die Atlas-5-Trägerrakete der 500er-Serie startet bis zu 8,7 Tonnen in die Geotransfer-Umlaufbahn und die stärkste Trägerrakete, die zum Start der Raumsonde des US-Verteidigungsministeriums (Delta-IVH) verwendet wurde. ermöglicht den Start einer Nutzlast mit einer Masse von bis zu 13. 1 Tonne.
Nach einer umfassenden Analyse der Prioritäten und Anforderungen an die Energiekapazitäten von Bodenfahrzeugen sowie des Marktes für Weltraumdienste stellte das STC von Roskosmos fest, dass zur Lösung von Problemen im Weltraum, einschließlich des Starts vielversprechender Raumfahrzeuge mit einem Masse von mindestens sieben Tonnen in eine geostationäre Umlaufbahn und 12 Tonnen in eine geostationäre Umlaufbahn, Eine Trägerrakete, die mindestens 35 Tonnen Nutzlast in eine erdnahe Umlaufbahn bringen kann.
Eine solche Trägerrakete - "Angara-A5V" kann geschaffen werden, indem die Sauerstoff-Kerosin-Drittstufe der "Angara-A5"-Trägerrakete durch die Sauerstoff-Wasserstoff-Stufe eines neuen Designs ersetzt wird. Die Trägerrakete "Angara-A5V" ist mit der geschaffenen Trägerrakete "Angara-A5" maximal vereint, auch in Bezug auf die Infrastruktureinrichtungen des Bodens. In Bezug auf die Energiekapazitäten wird die Trägerrakete Angara-A5V den derzeit entwickelten ausländischen Trägerraketen mit erhöhter Nutzlast wie Ariane-6 (Europa), Vulcan (USA), CZ-5 (China) und N-3 (Japan) entsprechen) und wird in naher Zukunft die Wettbewerbsfähigkeit der russischen Schwerklasse-Raumfahrzeuge auf dem Weltmarkt der Raumfahrtdienste gewährleisten.
Unsere schweren Trägerraketen „Proton-M“und „Angara-A5“mit Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken (LPRE) sind sowohl im Schub-Gewichts-Verhältnis als auch in den in vorgegebene Umlaufbahnen gestarteten Nutzlastmassen mit ausländischen Trägerraketen vergleichbar.
Gas oder ohne Gas
Derzeit besteht die Flotte der inländischen SVs aus der leichten Trägerrakete Rokot, der mittleren Trägerrakete Sojus mit dem Raketenwerfer Fregat und der Trägerrakete der schweren Klasse Proton mit den Raketenwerfern DM und Briz-M.
Die „Heptyl“-Trägerraketen „Rokot“und „Proton“werden in naher Zukunft die umweltfreundlichen Trägerraketen der „Angara“-Familie ersetzen. Gleichzeitig soll die Technologie verbessert und die Kosten der Serien-Trägerraketen Angara-A5 gesenkt werden. Geplant ist auch, den „Heptyl“RB „Fregat“durch einen kleinen RB „ML“mit umweltfreundlichen Komponenten zu ersetzen. Geplant ist auch, den Veteranen der heimischen Rakete der Sojus-Trägerrakete durch eine vielversprechende Mittelklasse-Trägerrakete zu ersetzen, die im Rahmen der Phoenix-Entwicklungsarbeit entsteht. Bei der Entwicklung ist geplant, vielversprechende Technologien zu implementieren, die eine Erhöhung der Betriebseigenschaften gewährleisten, einschließlich der Verwendung von Flüssigerdgas (LNG) als Raketentreibstoff.
Freifläche
Warum ist LNG interessant? Der Hauptvorteil ist die grundsätzliche Möglichkeit, die Kosten des Antriebssystems (PS) der Trägerrakete aufgrund einer radikalen Senkung des Betriebsdrucks im Brennraum des Motors (von 250–260 auf 160–170 Atmosphären) mit einem leichten (≈4%) erhöht den Hohlraum-spezifischen Impuls. Eine Erhöhung des letztgenannten Parameters ermöglicht es, die erreichten Energie- und Masseneigenschaften der LV-Stufen beizubehalten, obwohl die Dichte von LNG halb so hoch ist wie die von Kerosin. Ein Merkmal von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken, die mit LNG betrieben werden, ist die Möglichkeit, ein Triebwerk eines Bergungsschemas zu entwickeln, das weniger anfällig für die schnelle explosive Entwicklung von Notfallsituationen ist. Im Allgemeinen zeigen vorläufige technische und wirtschaftliche Bewertungen, dass mit einer etwa 1,5-fachen Senkung der Kosten von Antriebssystemen für LNG im Vergleich zu Antriebssystemen auf Basis bestehender Hochdruck-Kerosin-Raketenmotoren zu rechnen ist, was die Wettbewerbsfähigkeit der heimischen Fahrzeuge starten.
Bei der Bewertung der Erfahrungen mit der Entwicklung einer superschweren Trägerrakete ist anzumerken, dass Energia - Buran zweifellos der Höhepunkt der heimischen Raketentechnologie ist, ein herausragendes Programm in Bezug auf Organisation, Ressourcenkonzentration, Errungenschaften bei der Entwicklung neuer Struktur- und Wärmesysteme -Abschirmmaterialien, Beherrschung von Technologien zur Herstellung leistungsstarker Kerosin- und Wasserstoffmotoren, Produktion und Transport großer Mengen flüssigen Wasserstoffs, Hyperschall-Aerodynamik usw. Das ganze Land arbeitete dafür, aber der Staat hatte nicht die Mittel, Kräfte und Ziele, um ihn einzusetzen dieses Weltraumsystem im Orbit. Gleichzeitig wurden über 10 Jahre Arbeit an der Schaffung des Komplexes "Energia" - "Buran" mehr als ein Drittel der für Weltraumaktivitäten bereitgestellten Mittel ausgegeben, was die Wirksamkeit der Umsetzung der anderen Bereiche beeinträchtigte.
Während dieser Zeit entwickelte die Europäische Weltraumorganisation (ESA) die Mittelklasse LV der Ariane-4 und begann mit dem Start. Das Unternehmen Arianspace besetzte mit dieser Rakete mehr als die Hälfte des Marktes für kommerzielle Starts in die Geotransfer-Umlaufbahn und schuf mit verdientem Geld die schwere Trägerrakete Ariane-5, die bis heute die Umsetzung der Raumfahrtprogramme der ESA sicherstellt und über 40 Prozent hält des Weltmarktes für Startdienste.
Die Zeitung "VPK" (Nr. 27) schrieb: "… Das Pentagon sollte eine tiefe Befriedigung empfinden, wenn es beobachtet, wie Russland immer weiter von der Entwicklung moderner superschwerer Trägerraketen entfernt wird", aber Schätzungen zeigen, dass das Pentagon in absehbarer Zeit alle militärischen Aufgaben mit den Trägerraketen einer schweren Klasse vom Typ Delta IVH und Atlas-5 lösen will und nicht mit der für interplanetare Flüge geschaffenen Trägerrakete SLS. Es ist falsch, die Energiekapazitäten der 25-Tonnen-Trägerrakete Angara-A5 und der 130-Tonnen-Trägerrakete SLS zu vergleichen - es ist, als würde man sagen: "Ein 130-Tonnen-Muldenkipper ist kühler als KamAZ und Gazelle ist keine Maschine bei alle." Überhaupt nicht: Jedes Fahrzeug – ein Auto oder eine Rakete – muss, um effektiv zu sein, nahe der Obergrenze seiner Energiekapazität betrieben werden. Wenn die Trägerrakete leer gefahren wird, steigen die Stückkosten für den Start der Nutzlast, und dies ist einer der Hauptindikatoren für die Effizienz der Trägerrakete. Daher braucht der Staat nicht eine superstarke Trägerrakete, sondern eine optimal abgestimmte Flotte von SVs mit verschiedenen Nutzlasten für bestimmte Nutzlasten. Wenn es keine solchen Nutzlasten für die LV gibt, riskiert sie, das Schicksal von Energia zu teilen. Bezeichnend ist übrigens, dass zwei Saturn-5-Raketen am Ende der Mission zum Mond von der NASA und dem US-Verteidigungsministerium in ein Museum geschickt wurden, ohne eine Nutzlast dafür zu finden.
Beim STC von Roskosmos wurde die Frage des gezielten Einsatzes der STK-Trägerrakete erörtert - sie kamen zu dem Schluss, dass es nicht erforderlich ist, vor 2030-2035 Monoladungen mit einem Gewicht von 50 bis 70 Tonnen zu starten. Die Prioritäten der russischen Raumfahrtindustrie, wiederholen wir, sind in den "Grundlagen der Staatspolitik im Bereich der Raumfahrtaktivitäten …" definiert. Die Hauptaufgaben sind die Entwicklung von Orbitalgruppen von Raumfahrzeugen für wissenschaftliche, sozioökonomische und duale Zwecke. Aus diesem Grund hat sich Roskosmos NTS in Richtung Entwicklung einer superschweren Trägerrakete bis 2025 entschlossen, sich auf die Schaffung wissenschaftlich-technischer Grundlagen und die Entwicklung zukunftsträchtiger Technologien zu beschränken.
Es muss zugegeben werden, dass der Zustand der russischen Orbitalgruppe von Raumfahrzeugen, um es milde auszudrücken, jetzt nicht der wohlhabendste ist. Insbesondere besteht eine Konstellation von Earth Remote Sensing (ERS)-Raumfahrzeugen aus nur sieben Raumfahrzeugen und befriedigt den Bedarf der einheimischen Verbraucher in Höhe von 20-30 Prozent, während die ERS-Konstellationen der USA, europäischen Länder und China aus mehr als 35 Raumfahrzeuge mit jeweils einer globalen Kontrolloberfläche der Erde, auch im Radarbereich. Sogar in Indien umfasst die ERS-Satellitenkonstellation 17 Satelliten. Hier sollten die FKP-2025-Mittel vor allem ansetzen - in die Entwicklung von Kommunikationsraumfahrzeugen, Navigation, Fernerkundung, Meteorologie, einschließlich Raumfahrzeugen mit einer hohen Allwetter-Raumauflösung, die insbesondere für Sibirien, den Hohen Norden, Arktis und Fernost.
Wie ballistische Berechnungen zeigen, wird die optimierte Version der Angara-A5V LV mit einem verbesserten kryogenen RB KBTK-V beim Start vom Kosmodrom Vostochny eine Nutzlast von bis zu 11,9 Tonnen in eine geostationäre Transferbahn und bis zu 7, 2 Tonnen in eine geostationäre Umlaufbahn, sowie die Möglichkeit, die Anfangsphase des bemannten Mondprogramms mit einem Vier-Start-Schema durchzuführen (siehe Abb.): zwei gepaarte Starts der LV, die eine separate Lieferung in die Mondumlaufbahn des Mondlande- und Startkomplex (LPVK) und das bemannte Transportfahrzeug (PTK) mit ihrem Andocken im Orbit des künstlichen Mondsatelliten (OISL) und der anschließenden Landung von LPVK mit einer Besatzung auf der Mondoberfläche.
Ein typischer Paarstart umfasst den Start einer Nutzlast in eine ballistische Flugbahn als Teil eines PTC oder LPVK und eines kleinen interorbitalen Sauerstoff-Kerosin-Schleppers (MOB2), der auf der Grundlage des Schleppers "DM" (MOB1) entwickelt wurde, der auf der Basis der Rücklage für RB KVTK. MOB1 mit einem Startgewicht von mehr als 38 Tonnen wird nach dem Schema mit zusätzlichem Start bis zum zweiten Start der Angara-A5V LV gestartet. Nach dem Andocken in eine erdnahe Umlaufbahn und der Phasenverschiebung wird das montierte interorbitale Mondraumfahrzeug aufgrund der Kraft von MOB1 zunächst in eine hochelliptische Umlaufbahn gebracht. Nachdem der Treibstoff ausgegangen ist, wird das Wasserstoff MOB1 abgetrennt und das Kerosin MOB2 vervollständigt die Bildung der Abflugbahn. Darüber hinaus bietet MOB2 eine Flugbahnkorrektur beim Flug zum Mond und die Übertragung der Nutzlast auf die Umlaufbahn. Das Projekt FKP-2025 sieht die Arbeit an den angegebenen Mitteln vor.
Natürlich ist das Multi-Launch-Schema ziemlich kompliziert, es erfordert höchste Koordination: Das Startteam muss gleichzeitig an zwei Werfern arbeiten, wie an einer Uhr. Vorläufige technische und wirtschaftliche Bewertungen zeigen, dass der Einsatz einer Mehrzweck-Trägerrakete mit erhöhter Nutzlast einer 35-Tonnen-Klasse anstelle einer speziellen superschweren 80-Tonnen-Trägerrakete in der Anfangsphase des bemannten Mondprogramms eine Reduzierung der finanzielle Kosten um mehr als eine Größenordnung, und die eingesparten Ressourcen können im Interesse der Entwicklung der inländischen Orbitalgruppierung von Raumfahrzeugen verwendet werden.
Bezüglich des Einsatzes von Feststofftriebwerken (TTU) als Teil der Trägerrakete ist hier zu beachten, dass Feststoffraketentriebwerke (Feststoffraketentriebwerke) im Vergleich zu Flüssigtreibstoffraketentriebwerken nicht nur Vorteile, sondern auch Nachteile - um ~ 10–30 Prozent reduzierter spezifischer Schubimpuls, schlechteste Gewichtsperfektion der Konstruktion, Brand- und Explosionsgefahr von Herstellung und Ausrüstung einer Treibstoffladung, Begrenzung der Betriebszeit, Traktionskontrolle, Temperaturbedingungen beim Start, schädliche Auswirkungen von Verbrennungsprodukten auf die Umwelt. Darüber hinaus sind die 30–40 Prozent höheren Kosten einer Trägerrakete mit Feststoff-Raketentriebwerken im Vergleich zu einer Trägerrakete mit Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken und die Notwendigkeit, erhebliche Mittel in die Entwicklung produktionstechnischer und technologischer Anlagen zu investieren, zu berücksichtigen und Testeinrichtungen zur Herstellung großer Feststoffraketentriebwerke.
Der Einsatz von großen Feststoffraketentriebwerken als Teil der Trägerrakete wurde bei inländischen Projekten immer wieder erwogen, aber unter Berücksichtigung der oben genannten Faktoren wurde aufgrund des Vergleichs der Alternativen ausnahmslos zugunsten von Flüssigtreibstofftriebwerken entschieden. Russland ist führend in der Entwicklung und Produktion von Raketentriebwerken für Kreuzfahrten, die von Kunden, auch aus den USA, gekauft werden. Im Projekt FKP-2025 ist auch geplant, die Technologie zur Herstellung eines Startfesttreibstoffs mit einem Schub von etwa 100 Tonnen zu testen. Die Machbarkeit des Einsatzes von Feststoffraketenmotoren in vielversprechenden Trägerraketen, beispielsweise im gleichen "Phoenix", wird später anhand der Ergebnisse einer detaillierten Analyse ermittelt.
Fazit: Es ist klar, dass das FKP-2025-Projekt weiter verbessert werden kann, dennoch ist dieses Dokument in Bezug auf die Entwicklung von Trägerraketen recht ausgewogen, es spiegelt den tatsächlichen Stand der Dinge wider und bestimmt die Perspektiven für die Entwicklung von dieser Branche bis 2025 unter Berücksichtigung der festgelegten Prioritäten der Raumfahrtaktivitäten und der Möglichkeiten des Staates für seine Finanzierung.