Одна ступень до космоса и обратно

Проект одноступенчатой полностью многоразовой ракеты-носителя «Корона», грузоподъемность 7 тонн. Иллюстрация с сайта www.makeyev.ru

Сегодня во всем мире большое количество компаний занимается разработкой сверхлегких ракет. Есть все основания полагать, что уже в 2019–2020 годах помимо известного новозеландско-американского носителя «Электрон» до стадии летных испытаний будут доведены еще несколько проектов.

К сожалению, российские разработки (в том числе ракета-носитель «Таймыр», РН «Таймыр») в силу целого комплекса причин пока так и находятся в предпроектной стадии. Перспективы их реализации весьма неопределенные. Но даже в случае успешной реализации этого проекта к моменту его выхода на летные испытания на рынке уже активно развернутся многочисленные иностранные участники. При этом их проекты уже будут иметь определенную степень эксплуатационной отработки и, как следствие, более высокую надежность. В таких условиях российской сверхлегкой РН занять свое место на уже сформировавшемся рынке будет весьма проблематично.

Таким образом, целесообразность участия в гонке по созданию «традиционных» РН сверхлегкого класса в условиях, когда соперники уже ушли далеко вперед, требует как минимум очень серьезного осмысления.

Выход из этой ситуации – в опережающем развитии и акцентировании внимания на проектах, которые базируются на принципиально новом технологическом уровне. К ним относятся одноступенчатые ракетно-космические системы, вершиной развития которых следует считать многоразовые системы.

В сегменте сверхлегких ракет в этой области пока работают немногие разработчики. Так, в настоящее время известен совместный румыно-американский проект Haas 2CA. Данная ракета разрабатывается как одноразовая. Однако, учитывая объективно более высокую удельную стоимость выведения полезной нагрузки на малых ракетах по сравнению с большими, единственным радикальным путем ее снижения представляется достижение многоразовости транспортной системы. Есть все основания полагать, что уже в недалеком будущем компании-разработчики пойдут именно по такому пути.

В России в настоящее время специалистами ОАО «ГРЦ Макеева» предложен проект одноступенчатой полностью многоразовой РН «Корона» (грузоподъемность 7 т), который находится на предэскизной стадии. На сайте частной компании «Лин Индастриал» описан проект многоразовой РН «Зея», предназначенной для выведения полезной нагрузки массой 200 кг, однако в настоящий момент компания сосредоточена на других проектах.

Еще в 1980–1990-х большой объем проектных проработок был осуществлен Константином Петровичем Феоктистовым на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана и РКК «Энергия» в рамках работ по РН «Сивка». Однако на уровне технологий тех лет достижение требуемого конструктивного совершенства было затруднительно, а дальнейшие работы прекратились после смерти конструктора в 2009 году.

Ракеты «Сивка» должны были отличаться следующими особенностями: одновитковая схема полета с возвращением на космодром старта; полностью автономный полет; автоматизация процессов подготовки к полету и запуска; использование двигателя с внешним расширением, обеспечивающего близкую к идеальной высотную характеристику; использование кислородно-водородного топлива.

Стартовая масса ракеты «Сивка» в зависимости от размеров рассматривались в пределах от 250 до 16 тыс. т. Массы выводимых космических аппаратов при этом оценивались в 2–4% от стартовой массы ракеты. При минимальной стартовой массе это соответствует полезной нагрузке в 5–10 т. Однако следует учитывать, что в те годы задача активного вывода малых космических аппаратов (массой в несколько сотен килограммов) еще не была актуальной.

Расчеты показывают, что для посадки на космодром старта после одного витка полета по орбите с наклонением около 50 градусов возвращаемая РН должна совершить боковой маневр на дальность примерно 650 км. В случае запуска на солнечно-синхронные орбиты величина бокового маневра возрастает, что требует повышения аэродинамического качества. Эту задачу можно решить введением дополнительных аэродинамических поверхностей либо придания корпусу РН соответствующей формы.

К числу основных технологических барьеров относятся разработка и создание ЖРД с соплом внешнего расширения; максимальное повышение конструктивного качества конструкции топливных баков; создание тепловой защиты, обеспечивающей возвращение ступени; оптимизация траектории вывода РН на орбиту и спуска в атмосфере; создание системы управления, обеспечивающей вертикальную посадку (в нашей стране гораздо более существенен задел по горизонтальной посадке).

Следует заметить, что техническая возможность создания одноступенчатых многоразовых средств выведения является дискуссионной до сих пор. Однако основными причинами неопределенности и противоречивости выводов экспертов являются разрозненность предприятий отрасли, инициативный характер большинства работ и отсутствие в общем доступе их результатов.

К числу наиболее полных отечественных исследований по теме (помимо недоступных для открытого использования отчетов по РН «Корона») в настоящий момент относится научно-исследовательская работа, которая в 2019 году была проведена в компании «Лин Индастриал». Однако проведенные исследования носят качественный характер, поскольку авторы не располагали точной информацией о существующих технологических возможностях создания конструктивных элементов РН и достижимых в настоящее время значениях их конструктивного совершенства. Также в распоряжении авторов не было данных о характеристиках, достигаемых при создании двигателей с соплом внешнего расширения.

Таким образом, в ближайшее время целесообразно провести работы по обобщению наработанного опыта, определению требуемых характеристик и сформировать рациональный путь развития одноступенчатых систем выведения. В случае успеха вне зависимости от того, какая концепция окажется сегодня более рациональной, одноразовая или многоразовая, у российских инженеров появляется возможность создания своей уникальной и конкурентоспособной разработки.