El estado no necesita un vehículo de lanzamiento superpotente, sino una flota SV
Como saben, el documento principal que define los intereses del estado, los principales objetivos, prioridades y tareas de Rusia en el campo de la investigación, la exploración y el uso del espacio ultraterrestre, fue aprobado por el presidente de la Federación de Rusia, Vladimir Putin, en abril de 2013. "Fundamentos de la política estatal de la Federación de Rusia en el campo de las actividades espaciales para el período hasta 2030 y más allá".
De acuerdo con este documento, las principales prioridades son asegurar el acceso garantizado de Rusia al espacio desde su territorio con el desarrollo y uso de tecnología, tecnologías, obras y servicios espaciales en interés de la esfera socioeconómica y de la defensa del país, así como como la seguridad del estado; la creación de activos espaciales en interés de la ciencia; actividades relacionadas con la implementación de vuelos tripulados, incluida la creación de una base científica y técnica para la implementación de vuelos tripulados a planetas y otros cuerpos del sistema solar en el marco de la cooperación internacional.
La implementación de estos objetivos se asegura mediante el uso y desarrollo del potencial científico, técnico y de producción existente para la creación de vehículos de lanzamiento prometedores, remolcadores interorbitales, sistemas de objetivos y servicios de naves espaciales automáticas (SC), naves espaciales tripuladas de nueva generación, elementos de infraestructura para actividades en el espacio profundo y tecnologías innovadoras para resolver problemas de destino y tecnologías de producción.
El resultado será la preservación del estatus de Rusia como una de las principales potencias espaciales, la confirmación de la autosuficiencia para apoyar sus propias actividades espaciales en todo el espectro de tareas que requieren la creación de una constelación orbital de naves espaciales basada en una economía eficiente. flota de vehículos de lanzamiento rusos.
La necesidad de mantener una posición estable y competitividad en el mercado de servicios de lanzamiento es un incentivo para mejorar los indicadores técnicos y económicos de las aeronaves, principalmente para incrementar sus capacidades energéticas.
Todos estos factores se manifestaron más claramente en el ejemplo del producto más exitoso económicamente de la cosmonáutica rusa: el vehículo de lanzamiento de clase pesada "Proton". Fue el lanzamiento del cohete Proton al mercado internacional de servicios de lanzamiento y su constante modernización lo que permitió a los GKNPTs im. MV Khrunichev para sobrevivir en los años 90 y "cero" y mantener la cooperación industrial, asegurando el mantenimiento del grupo orbital ruso de naves espaciales y la participación en proyectos internacionales.
Carga útil en básculas de competición
Para determinar qué SV desarrollar en el FKP-2025, uno debe entender que las capacidades energéticas del vehículo de lanzamiento están determinadas por la masa de la carga útil lanzada a la órbita de trabajo. A menudo, aunque no del todo correcto, al evaluar la energía de BT se utiliza una órbita terrestre baja con una altitud de 200 kilómetros y una inclinación igual a la latitud del punto de lanzamiento. Para el funcionamiento de la nave espacial, esta órbita no se utiliza como una de trabajo, ya que, debido a la desaceleración de la atmósfera, el tiempo de existencia de la nave espacial en ella no excede de una semana. Entre la variedad de naves espaciales, el mercado más caro y que requiere muchos recursos para las naves espaciales de telecomunicaciones que operan en órbita geoestacionaria.
Hay dos características de los lanzamientos comerciales de naves espaciales de telecomunicaciones. La masa de naves espaciales comerciales está creciendo más rápidamente que las lanzadas bajo programas federales. Pero como puede ver en el gráfico, incluso la masa de las naves espaciales comerciales está lejos de ser ilimitada y para su lanzamiento, no se requiere en absoluto una clase súper pesada LV (STK LV) del tipo SLS.
También existen diferencias en el diseño balístico de los lanzamientos comerciales. Dio la casualidad de que las naves espaciales extranjeras, a diferencia de las nacionales, no se ponen inmediatamente en una órbita geoestacionaria, sino en una "órbita estándar de transferencia geográfica" de alto apogeo intermedio. La nave espacial, separada del LV en ella, después de una pausa balística de aproximadamente cinco horas en el apogeo de la órbita, con la ayuda de su propio sistema de propulsión, genera un impulso que asegura la formación de una órbita geoestacionaria. Teniendo en cuenta el consumo de combustible, la masa de la carga útil lanzada a la órbita intermedia de transferencia geosincrónica debería ser aproximadamente 1,6 veces mayor que en la órbita de trabajo, es decir, la geoestacionaria.
Pero volvamos a Proton, solo la necesidad de mantener la competitividad en el mercado de servicios de lanzamiento se ha convertido en la razón para llevar a cabo cuatro etapas de su modernización a expensas de los fondos de los lanzamientos comerciales del Proton LV, a partir de la versión inicial de Proton-K. a Proton-M y desarrollo para el vehículo de lanzamiento Proton del nuevo Upper Stage (RB) Briz-M, que permitió aumentar la masa de la carga útil entregada a la órbita geoestacionaria de 2, 6 a 3,5 toneladas y a la geoestacionaria órbita de transferencia - de 4,5 a 6, 3 toneladas. Pero no importa lo bueno que sea el portaaviones Proton, sus lanzamientos no se realizan desde el territorio de Rusia. También hay problemas con el suministro de combustible para Proton, un heptilo altamente tóxico utilizado en misiles militares y que pertenece a las sustancias de la primera clase de peligro más alto.
El liderazgo del país ha encomendado a la industria la tarea de garantizar el acceso al espacio desde su territorio: los lanzamientos de naves espaciales deben realizarse mediante cohetes desarrollados y fabricados en Rusia. Además, es necesario mejorar la seguridad ambiental de los lanzamientos eliminando el uso de combustibles tóxicos.
Estas tareas deben ser resueltas por el programa para la creación de un vehículo de lanzamiento de clase pesada "Angara", que garantizará el lanzamiento garantizado de naves espaciales de telecomunicaciones y meteorológicas y naves espaciales en órbita geoestacionaria, asegurando la defensa y seguridad del estado.
Desafortunadamente, el vehículo de lanzamiento "Angara" se creó durante bastante tiempo. El decreto del gobierno de la Federación de Rusia sobre el desarrollo de un proyecto de un complejo de cohetes espaciales (SRS) de clase pesada se adoptó sobre la base de los resultados de una competencia celebrada 22 años antes del primer lanzamiento del LV. La financiación real del programa comenzó después de 2005. Hizo posible realizar dos lanzamientos de prueba exitosos en 2014 y programar lanzamientos de LV con cargas útiles objetivo a partir de 2016. Cuando se lance desde el cosmódromo de Plesetsk, las capacidades energéticas del vehículo de lanzamiento Angara-A5 con un RB KVTK criogénico garantizarán el lanzamiento de una carga útil que pesa 4,5 toneladas en una órbita geoestacionaria y 7,5 toneladas en una órbita geoestacionaria estándar (cuando se utiliza el Briz -M RB - 2, 9 y 5, 4 toneladas, respectivamente).
Cuando la nave espacial Angara se despliegue en el cosmódromo de Vostochny, las capacidades energéticas del vehículo de lanzamiento Angara-A5 con un RB de oxígeno-hidrógeno del KBTK garantizarán el lanzamiento de una carga útil que pesa hasta cinco toneladas en una órbita geoestacionaria, y hasta ocho toneladas en una órbita geoestacionaria. Esta reserva de energía es suficiente en un futuro cercano para el lanzamiento de naves espaciales bajo programas federales, pero no permite competir por el lanzamiento de naves espaciales de precio superior con nuevos vehículos de lanzamiento extranjeros de clase pesada con mayor carga útil: Delta-IVH, Ariane-5ECA y Atlas. -5. En particular, el vehículo de lanzamiento Atlas-5 de la serie 500 lanza hasta 8, 7 toneladas en la órbita de transferencia geográfica, y el más poderoso de los vehículos de lanzamiento utilizados para lanzar la nave espacial del Departamento de Defensa de EE. UU. (Delta-IVH) proporciona el lanzamiento de una carga útil con una masa de hasta 13 en la órbita de transferencia geográfica.1 tonelada.
Después de un análisis exhaustivo de las prioridades y requisitos para las capacidades energéticas de los vehículos terrestres, así como del estado del mercado de los servicios espaciales, el STC de Roskosmos determinó que para resolver problemas en el espacio ultraterrestre, incluido el lanzamiento de naves espaciales prometedoras con un masa de al menos siete toneladas en una órbita geoestacionaria y 12 toneladas en una órbita geoestacionaria. Un vehículo de lanzamiento capaz de colocar al menos 35 toneladas de carga útil en una órbita terrestre baja.
Un vehículo de lanzamiento de este tipo, "Angara-A5V", se puede crear reemplazando la tercera etapa de oxígeno-queroseno del vehículo de lanzamiento "Angara-A5" por la etapa de oxígeno-hidrógeno de un nuevo diseño. El vehículo de lanzamiento "Angara-A5V" está unificado al máximo con el vehículo de lanzamiento "Angara-A5" creado, incluso en términos de instalaciones de infraestructura espacial terrestre. En términos de capacidades energéticas, el vehículo de lanzamiento Angara-A5V corresponderá a los vehículos de lanzamiento extranjeros actualmente desarrollados con mayor carga útil, como Ariane-6 (Europa), Vulcan (EE. UU.), CZ-5 (China) y N-3 (Japón).) y proporcionará En un futuro próximo, la competitividad de los vehículos espaciales rusos de clase pesada en el mercado mundial de servicios espaciales.
Nuestros vehículos de lanzamiento pesados "Proton-M" y "Angara-A5" con motores de cohetes de propulsión líquida (LPRE) son proporcionales a los vehículos de lanzamiento extranjeros tanto en relación empuje-peso como en masas de carga útil lanzadas en órbitas específicas.
Gas o sin gas
En la actualidad, la flota de SV domésticos consta del vehículo de lanzamiento de clase ligera Rokot, el vehículo de lanzamiento de clase media Soyuz con el lanzador de misiles Fregat y el vehículo de lanzamiento de clase pesada Proton con los lanzadores de misiles DM y Briz-M.
En un futuro próximo, los vehículos de lanzamiento "heptilo" "Rokot" y "Proton" reemplazarán a los vehículos de lanzamiento ecológicos de la familia "Angara". Al mismo tiempo, se prevé mejorar la tecnología y reducir el costo de los vehículos de lanzamiento Angara-A5 en serie. También se prevé la sustitución del RB “heptilo” “Fregat” por un RB “ML” de tamaño pequeño que utiliza componentes ecológicos. También se planea reemplazar al veterano de los cohetes domésticos del vehículo de lanzamiento Soyuz con un vehículo de lanzamiento de clase media prometedor, que se está creando como parte del trabajo de desarrollo de Phoenix. Durante su desarrollo, está previsto implementar tecnologías prometedoras que aseguren un aumento de las características operativas, incluido el uso de gas natural licuado (GNL) como combustible para cohetes.
Espacio abierto
¿Por qué es interesante el GNL? La principal ventaja es la posibilidad fundamental de reducir el costo del sistema de propulsión (PS) del vehículo de lanzamiento debido a una disminución radical de la presión de funcionamiento en la cámara de combustión del motor (de 250-260 a 160-170 atmósferas) con una ligera (≈4%) aumento en el impulso específico de vacío. Un aumento en este último parámetro permite mantener el nivel de energía y las características de masa alcanzadas en las etapas de LV, a pesar de que la densidad del GNL es la mitad que la del queroseno. Una característica de los motores de cohetes de propulsante líquido alimentados por GNL es la posibilidad de desarrollar un motor de un esquema de recuperación, menos propenso al desarrollo explosivo rápido de situaciones de emergencia. En general, las evaluaciones técnicas y económicas preliminares muestran que es posible esperar una disminución en el costo de los sistemas de propulsión para GNL en aproximadamente 1,5 veces en comparación con los sistemas de propulsión basados en motores de cohetes de queroseno de alta presión existentes, lo que aumentará la competitividad de los sistemas domésticos. Lanzamiento de vehículos.
Al evaluar la experiencia de crear un vehículo de lanzamiento superpesado, cabe señalar que Energia - Buran es sin duda el apogeo de la tecnología de cohetes domésticos, un programa destacado en términos de organización, concentración de recursos, logros en el desarrollo de nuevas estructuras y calor -materiales de blindaje, dominio de tecnologías para la creación de potentes motores de queroseno e hidrógeno, producción y transporte de grandes volúmenes de hidrógeno líquido, aerodinámica hipersónica, etc. Todo el país trabajó para ello, pero el estado no tenía los medios, fuerzas y objetivos para desplegar este sistema espacial en órbita. Al mismo tiempo, durante más de 10 años de trabajo en la creación del complejo "Energia" - "Buran", se gastaron más de un tercio de los fondos asignados para actividades espaciales, lo que afectó la efectividad de la implementación de sus otras áreas.
Durante este período, la Agencia Espacial Europea (ESA) desarrolló y comenzó a lanzar Ariane-4 LV de clase media. La compañía Arianspace con este cohete ocupó más de la mitad del mercado de lanzamientos comerciales en órbita de geotransferencia y, habiendo ganado dinero, creó el vehículo de lanzamiento de clase pesada Ariane-5, que aún asegura la implementación de los programas espaciales de la ESA y tiene más del 40 por ciento. del mercado mundial de servicios de lanzamiento.
El periódico "VPK" (No. 27) escribió: "… El Pentágono debería sentir una sensación de profunda satisfacción al ver cómo Rusia se está alejando cada vez más de la creación de modernos vehículos de lanzamiento superpesados", pero estima muestran que todas las tareas militares en un futuro previsible será resuelto por el Pentágono, utilizando los vehículos de lanzamiento de una clase pesada del tipo Delta IVH y Atlas-5, y no el vehículo de lanzamiento SLS, creado para vuelos interplanetarios. Es incorrecto comparar las capacidades de energía del vehículo de lanzamiento Angara-A5 de 25 toneladas y el vehículo de lanzamiento SLS de 130 toneladas; es como decir: "Un camión de volteo de 130 toneladas es más fresco que KamAZ, y Gazelle no es una máquina en todos." En absoluto: cualquier vehículo, un automóvil o un cohete, para ser efectivo, debe operarse cerca del límite superior de su capacidad de energía. Si el vehículo de lanzamiento se conduce vacío, el costo unitario de lanzamiento de la carga útil aumenta, y este es uno de los principales indicadores de la eficiencia del vehículo de lanzamiento. Por lo tanto, el estado no necesita un vehículo de lanzamiento superpotente, sino una flota de SV óptimamente equilibrada de varias cargas útiles para cargas útiles específicas. Si no existen tales cargas útiles para LV, entonces corre el riesgo de compartir el destino de Energia. Por cierto, es significativo que la NASA y el Departamento de Defensa de los Estados Unidos enviaron dos cohetes Saturno-5 al final de la misión a la luna a un museo sin encontrar una carga útil para ellos.
La cuestión del uso selectivo del vehículo de lanzamiento STK se consideró en el STC de Roskosmos; llegaron a la conclusión de que no es necesario lanzar monocargas de 50 a 70 toneladas antes de 2030 a 2035. Las prioridades de la industria espacial rusa, repetimos, se definen en los "Fundamentos de la política estatal en el campo de las actividades espaciales …" Las tareas principales son el desarrollo de grupos orbitales de naves espaciales con fines científicos, socioeconómicos y duales.. Es por eso que, en la dirección de desarrollar un vehículo de lanzamiento superpesado, el Roskosmos NTS decidió hasta 2025 limitarse a la creación de una base científica y técnica y al desarrollo de tecnologías prometedoras.
Debe admitirse que ahora el estado del grupo orbital ruso de naves espaciales, por decirlo suavemente, no es el más próspero. En particular, una constelación de naves espaciales de teledetección terrestre (ERS) consta de solo siete naves espaciales y satisface las necesidades de los consumidores domésticos en un nivel de 20-30 por ciento, mientras que las constelaciones ERS de los EE. UU., Los países europeos y China constan de más de 35 naves espaciales cada una, proporcionando la superficie de control global de la Tierra, incluso en el alcance del radar. Incluso en India, la constelación de satélites ERS incluye 17 satélites. Aquí es donde los fondos del FKP-2025 deberían ir en primer lugar: en el desarrollo de naves espaciales de comunicación, navegación, teledetección, meteorología, incluidas naves espaciales con una alta resolución espacial para todo clima, que es especialmente importante para Siberia, el Lejano Norte, el Ártico y el Lejano Oriente.
Como muestran los cálculos balísticos, cuando se lance desde el cosmódromo de Vostochny, la versión optimizada del Angara-A5V LV con un RB KBTK-V criogénico mejorado proporcionará una carga útil de hasta 11,9 toneladas en una órbita de transferencia geoestacionaria y hasta 7, 2 toneladas en una órbita geoestacionaria, y también la posibilidad de implementar la etapa inicial del programa lunar tripulado usando un esquema de cuatro lanzamientos (ver Fig.): Dos lanzamientos emparejados del LV, proporcionando entrega separada a la órbita lunar del complejo de aterrizaje y despegue lunar (LPVK) y el vehículo de transporte tripulado (PTK) con su atraque en órbita satélite artificial de la Luna (OISL) y el posterior aterrizaje de LPVK con tripulación en la superficie de la Luna.
Un lanzamiento típico en pareja incluye el lanzamiento de una carga útil en una trayectoria balística como parte de un PTC o LPVK y un pequeño remolcador interorbital de oxígeno y queroseno (MOB2), creado sobre la base del remolcador "DM" (MOB1), desarrollado en el base de la reserva para RB KVTK. MOB1 con un peso de lanzamiento de más de 38 toneladas se lanza de acuerdo con el esquema con lanzamiento adicional por el segundo lanzamiento del Angara-A5V LV. Después de atracar en órbita terrestre baja y poner en fase, la nave espacial interorbital lunar ensamblada se coloca primero en una órbita altamente elíptica debido al poder de MOB1. Después de quedarse sin combustible, el hidrógeno MOB1 se separa y el queroseno MOB2 completa la formación de la trayectoria de salida. Además, MOB2 proporciona corrección de trayectoria en el vuelo a la Luna y transferencia de la carga útil a la órbita circunlunar. El proyecto FKP-2025 prevé el trabajo con los fondos indicados.
Por supuesto, el esquema de lanzamiento múltiple es bastante complicado, requiere la máxima coordinación: el equipo de inicio debe trabajar simultáneamente en dos lanzadores, como un reloj. Las evaluaciones técnicas y económicas preliminares muestran que el uso en la etapa inicial del programa tripulado lunar de un vehículo de lanzamiento multipropósito de mayor carga útil de una clase de 35 toneladas en lugar de un vehículo de lanzamiento superpesado especializado de 80 toneladas permitirá reducir costos financieros en más de un orden de magnitud, y los recursos ahorrados se pueden utilizar en interés del desarrollo de la agrupación orbital doméstica de naves espaciales, socioeconómicas, científicas y de doble uso.
En cuanto al uso de propulsores de propulsante sólido (TTU) como parte del vehículo de lanzamiento, debe tenerse en cuenta aquí que los motores de cohete de combustible sólido (motores de cohete de propulsante sólido), en comparación con los motores de cohete de propulsante líquido, no solo tienen ventajas, sino también desventajas: un impulso de empuje específico reducido en ~ 10-30 por ciento, la peor perfección de peso del diseño, peligro de incendio y explosión de la producción y el equipo de una carga de combustible, limitación en el tiempo de operación, control de tracción, condiciones de temperatura en el arranque, efectos nocivos de los productos de combustión en el medio ambiente. Además, es necesario tener en cuenta el costo entre un 30 y un 40 por ciento más alto de un vehículo de lanzamiento con motores de cohete de propulsante sólido en comparación con un vehículo de lanzamiento con motores de cohete de propulsante líquido y la necesidad de invertir fondos significativos en el desarrollo de producción, tecnología e instalaciones de prueba para la creación de grandes motores de cohetes de propulsante sólido.
El uso de grandes motores cohete de propulsante sólido como parte del vehículo de lanzamiento se ha considerado repetidamente en proyectos domésticos, pero teniendo en cuenta los factores anteriores, con base en la comparación de alternativas, la elección se hizo invariablemente a favor de los motores de propulsante líquido. Rusia es líder en el desarrollo y producción de motores de cohetes de crucero, que son adquiridos por clientes, incluidos los de Estados Unidos. En el proyecto FKP-2025, también se planea probar la tecnología para crear un propulsor sólido de lanzamiento con un empuje de aproximadamente 100 toneladas. La viabilidad de utilizar motores de cohetes de propulsante sólido en vehículos de lanzamiento prometedores, por ejemplo, en el mismo "Phoenix", se determinará más adelante, basándose en los resultados de un análisis detallado.
En conclusión: es claro que el proyecto FKP-2025 se puede seguir mejorando, sin embargo, en cuanto al desarrollo de vehículos de lanzamiento, este documento es bastante equilibrado, refleja el estado real de las cosas y determina las perspectivas de desarrollo de este sector de la industria hasta el 2025, tomando en cuenta las prioridades de actividades espaciales establecidas y las oportunidades del estado para su financiamiento.
