Российская многоразовая система первого этапа

На аэрокосмическом салоне МАКС-2013 впервые были продемонстрированы не схемы и «настольные модели», а крупномасштабные макеты многоразовой ракетно-космической системы первого этапа (МРКС-1) разработки Центра имени Хруничева. Этот факт можно рассматривать как подтверждение выхода на новый уровень работ, ведущихся уже несколько лет.

Специалисты считают, что носители, включающие в себя многоразовые нижние и одноразовые верхние ступени, – оптимальный вариант реализации системы выведения полезных грузов, базирующейся на современных технологиях*. С одной стороны, существенная часть стоимости улетевшей ракеты приходится именно на нижнюю (первую) ступень. Как правило, она крупнее, тяжелее, сложнее и дороже в изготовлении, чем верхние ступени – и именно поэтому ее целесообразно спасать для повторного использования. С другой же стороны, в ряде случаев технически реализовать многоразовую первую ступень гораздо проще. Кроме того, при условии ее возвращения к месту старта появляется возможность создать по-настоящему всеазимутальную транспортную систему и радикально сократить поля падения отделяемых частей носителя.

Несмотря на единицу в обозначении, МРКС-1 можно отнести к многоразовым системам второго поколения – к первому относились Space Shuttle и «Энергия-Буран». В этих проектах основной упор делался на многоразовую орбитальную ступень (ОС), сочетавшую в себе качества собственно ракетного блока и космического корабля. Цели данных программ предусматривали уменьшение стоимости выведения в космос за счет частого проведения запусков, возвращения из космоса значительного объема полезных грузов и сохранения дорогостоящих и сложных КА для многократного применения.

Однако первое поколение многоразовых систем оказалось не в состоянии решить свои задачи с достаточным уровнем эффективности. С учетом большой размерности всей системы, невысокой частоты пусков и сложности межполетного обслуживания ОС (особенно в части двигателей и теплозащиты) совокупные затраты на эксплуатацию быстро выросли, а удельная стоимость доступа в космос оказалась приблизительно в три раза выше по сравнению с одноразовыми ракетами. В то же время число полезных нагрузок, возвращаемых из космоса, оказалось незначительным. При «растягивании» программы Space Shuttle сказались ограничения по расчетному ресурсу ОС (не по общему числу полетов, а по времени эксплуатации), помноженные на опасения по поводу надежности и безопасности, – с учетом двух катастроф, которые останавливали полеты и грозили полным срывом не только пилотируемой программы, но и графика доставки в космос важных полезных грузов. Но и это не все: размывание первоначальных целей создания системы Space Shuttle и уменьшение «трафика» полетов на орбиту снизило и общую экономическую привлекательность многоразовых систем. В результате сегодня и космонавты, и грузы доставляются на низкую околоземную орбиту (НОО) с помощью одноразовых ракет.

С учетом вышесказанного, специалисты ГКНПЦ имени М. В. Хруничева приступили к разработке системы, лишенной указанных недостатков. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по обоснованию облика и технических характеристик МРКС-1 ведутся в Центре на протяжении ряда лет. Начинались они в инициативном порядке, а затем продолжились в рамках Федеральной космической программы (ФКП) на 2006 – 2015 годы совместно со смежными предприятиями. 

Проект ГКНПЦ реализует концепцию частично многоразового носителя вертикального взлета: ускоритель первой ступени (возвращаемый ракетный блок – ВРБ) выполняется по самолетной схеме, ускорители верхних ступеней (блоки выведения – БВ) – одноразовые. Блоки компонуются по пакетной схеме. После выполнения своей задачи в процессе выведения ВРБ блок отделяется от ускорителя второй ступени и совершает автономный возвратный полет с посадкой на аэродроме посадочного комплекса. Возвращение к месту старта обеспечивается за счет пространственного аэродинамического маневра. На первом участке производится интенсивное торможение с одновременным разворотом вектора скорости к месту старта. Второй участок – самолетный полет по направлению к месту старта до горизонтальной посадки на взлетно-посадочную полосу (ВПП).

Как следует из опыта эксплуатации, основными составляющими стоимости миссии многоразового корабля Space Shuttle были затраты на межполетное обслуживание ОС и маршевых кислородно-водородных ЖРД. По данным Космического центра имени Кеннеди, опубликованным в 2009 году, на них приходилось порядка 1.4 млрд $ в год. Эти обстоятельства и предопределили принципы создания ВРБ: 

• отсутствие внешней теплозащиты за счет незначительного локального теплового усиления конструкции, что, в свою очередь, определило траекторные перемещения на активном участке разделения ступеней (примерно при М=7…7.5 – для того, чтобы не выводить блок на большие тепловые нагрузки);
• требования к конструкции, агрегатам и системам закладываются в расчете на многоразовое их применение;
• используемые компоненты ракетного топлива должны минимизировать сроки и объемы межполетного обслуживания маршевых ЖРД;
• межполетная эксплуатация должна проводиться исходя из фактического состояния ВРБ.

Исследования начались с проекта крылатого ускорителя «Байкал», выполненного совместно с НПО «Молния» для использования в составе семейства модульных РН «Ангара». В результате сложилась кооперация ведущих отечественных предприятий, которая выполнила значительный объем расчетно-теоретических и экспериментальных работ. В том числе проведено более 100 продувок в аэродинамических трубах (АДТ) ЦАГИ, разработаны проектные материалы по основным элементам «Байкала» (двигатели, системы управления, приводы, облик наземного комплекса) и вопросы его эксплуатации. Технический образец многоразового ускорителя в 2001 году демонстрировался на международных аэрокосмических салонах Le Bourget и МАКС.  

В настоящее время специалисты Центра Хруничева видят МРКС как многоцелевое средство выведения для решения задач доставки на НОО полезных грузов и КА различного назначения. Выбор наиболее рациональной схемы стал ключевым в комплексной задаче лабораторно-стендовых испытаний и летных экспериментов, а критерием выбора было обеспечение допустимых тепловых нагрузок и требуемых аэродинамических характеристик, как на этапе выведения, так и на этапах атмосферного спуска. Эти этапы и являются определяющими при выборе размерности, конструктивных решений и конструкционных материалов. 

Учитывая принципиальное значение межполетного обслуживания для реализуемости МРКС-1 с заданными технико-экономическими характеристиками, специалисты приняли концепцию эксплуатации ВРБ по техническому состоянию. Такой подход к эксплуатации ракетно-космической техники является новым и требует отработки новых методов с последующим их испытанием на натурных изделиях. При этом главная задача – существенное снижение эксплуатационных расходов за счет использования системы контроля технического состояния и, в первую очередь, многоразовых ЖРД. Наличие такой системы также является новым методом для ракетно-космической техники. 

Как указывалось выше, вся многоцелевая система компонуется всего из двух унифицированных элементов – многоразовых ВРБ первой ступени и одноразовых БВ верхних ступеней. При этом возможно сочетание различного числа блоков, а их типоразмеры выбраны исходя из заданного для ряда носителей диапазона масс груза, выводимого на орбиту, и из заданной конфигурации унифицированного стартового комплекса. 

От себя добавлю, что в статье, размещенной в журнале "Новости космонавтики" № 12 за 2013 г. указывалось, что использование данной системы позволит снизить стоимость пуска в 2-5 раз! Вот и прикиньте, какой конкурентноспособностью мы сможем обладать, если ее довести до ума!

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.