Сім’я перебудувала військово-морський гелікоптер в будинок
16 Серпня , 2017
Компанія DeLorean планує випустити двомісний літак
16 Серпня , 2017

Мікроракети для великого космосу: чи стане орбіта територією приватників?

25 травня зі східного мису Нової Зеландії стартувала незвичайного виду чорна ракета, яка спробувала дістатись до космосу. Вона піднялась на висоту понад 100 км, але на орбіту нічого не змогла вивести: сталась аварія на етапі роботи другої ступені. Ракета Electron американо-новозеландської компанії Rocket Lab стала однією з багатьох спроб приватних підприємців підкорити космос.

Ракети, які здатні виводити лічені кілограми або десятки кілограмів вантажу на низьку навколоземну орбіту, — новий напрям у розвитку космонавтики. Раніше в цьому не було ніякого сенсу, оскільки супутники і космічні апарати важили сотні кілограмів або тонн. До мікроракет можна віднести хіба що американську Juno 1 — носій, який доставив в космос наносупутник Explorer 1 масою 4 кг в 1958 році. Цей запуск мав суто політичний зміст: після успішного польоту першого радянського супутника США повинні були продемонструвати, що теж володіють засобами доставки на орбіту.

Корисні «кубики» і земна електроніка

У 2000-ні роки розвиток мікроелектроніки відкрив можливість створення багатофункціональних наносупутників (від 1 до 10 кг) і мікросупутників (від 10 до 100 кг). У США при Каліфорнійському політехнічному і Стенфордському університетах ще в 1998-му розробили новий стандарт малих космічних апаратів CubeSat — супутники стандартного розміру від 10 х 10 х 10 см, або 1U (unit). При необхідності «кубики» можна компонувати по 2, 3 або 6: такі варіанти називаються 2U, 3U, 6U. Спочатку технологія розвивалась як освітній стандарт навчальних апаратів, але через кілька років для CubeSat знайшли і наукове, і комерційне застосування. Успіх стандарту пояснюється можливістю використання типових контейнерів для розміщення відразу декількох супутників на ракеті. Таким чином, зникла необхідність придумувати пристрою розміщення та відділення для кожного супутника.

CubeSat

Спочатку стандарт наносупутника 10 х 10 х 10 см був розроблений в освітніх цілях, але в наші дні CubeSat знайшли серйозне застосування.

У той же час в Університеті Суррея у Великобританії задумались про застосування в космосі дешевшої електроніки індустріального класу. З проекту виросла компанія Surrey Satellite Technology, яка стала виробляти і запускати компактні супутники прикладного призначення в кілька разів менше, легше і дешевше аналогічних апаратів інших виробників. Компанія створила угрупування Disaster Monitoring Constellation з супутників масою близько 100 кг, які знімають земну поверхню в стандарті американських Landsat масою 2 т!

Розвиток CubeSat і успіх SSTL призвели до появи безлічі приватних спутникобудівельних компаній. Потреба в запуску 1-100-кілограмових супутників породила нову галузь — проектування і будівництво мікроракет. До теперішнього часу малі супутники виводились конверсійними балістичними ракетами при попутних запусках великих ракет, а також з Міжнародної космічної станції, але ця конкуренція не зупиняє мікроракетних романтиків.

Завдання створити надлегку космічну ракету з невеликим бюджетом на розробку і з невеликою ринковою вартістю спонукає творців відходити від традиційних конструкційних схем і шукати часом екзотичні рішення.

Чим незвичніше — тим дешевше?

Великй досвід будівництва сучасних космічних ракет привів до найпопулярніших на сьогодні компоновок. Більшість існуючих носіїв використовують рідке паливо: гас/кисень, водень/кисень, гептил/аміл. Для початкового розгону часто додають ще твердопаливні прискорювачі. Старт проводиться з космодромів на поверхні Землі. Самою екзотичною на сьогодні серійною ракетою можна назвати Pegasus: вона використовує тільки тверде паливо і стартує з-під крила літака, виводячи до 450 кг на низьку навколоземну орбіту.

Якщо ж проаналізувати різні проекти малих ракет, то здається, що їх творці намагаються перепробувати всі інші ракетні і паливні схеми, від яких відмовилися виробники великих ракет: повітряний старт з літаків і аеростатів, твердопаливні та гібридні ракетні двигуни, витискувальна подача і клиноповітряне сопло…

Ракета Pegasus

Ракета Pegasus Єдина на сьогодні космічна ракета з повітряним стартом підвішена до літака Lockheed L-1011, який використовується в якості першої ступені.

Експерименти з двигунами

Щоб знизити вартість ракет, багато розробників максимально спрощують конструкцію. Наприклад, відмова від газотурбінної подачі палива істотно знижує навантаження і підвищує надійність. Але паливо все одно треба якось подавати, тому доводиться в ракеті розміщувати ємності з гелієм під високим тиском. Таким шляхом пішли розробники американської ракети Firefly Alpha.

Можна зовсім уникнути турботи про розробку дорогого двигуна, відмовившись від рідкого палива. Тоді вся ракета буде являти собою велику шашку з вибухової речовини, і на виході струмінь полум’я потрібно лише направити через сопло. Однак таке спрощення не вирішує всіх проблем. Горіння твердого палива неможливо контролювати, можна лише задати певні режими горіння на різних етапах польоту. Якщо ж щось піде не так, дистанційно вплинути на роботу двигуна практично неможливо. Випробування твердопаливної мікроракети SPARK (Super Strypi) в США закінчились невдачею: ракета втратила контроль і зруйнувалась на другій хвилині польоту.

Схема демонструє порівняльні розміри основних ракет-носіїв, застосовуваних в «великий» космонавтиці, мікроракет, що розробляються в рамках сучасних проектів, а також знаменитого Jumbo Jet — широкофюзеляжного лайнера Boeing 747.

Частково вирішити проблему з контролем роботи двигуна дозволяє гібридна схема. В такій конструкції використовується тверде паливо і рідкий окислювач; режими роботи можна регулювати, керуючи подачею окислювача. Таку схему пропонували розробники американської ракети Interpid 1, але через фінансові проблем вони не дійшли навіть до випробувань своєї силової установки.

Розробники ракети Firefly Alpha вирішили вдатись до ще однієї теоретично працездатної схеми, яка на практиці випробовувалась, але так і не знайшла свого застосування. Вона повинна вирішити проблему високої аеродинамічної ефективності ракети. Мова йде про так званий клиноповітряний ракетний двигун. На ефективність ракетного двигуна впливає не тільки його конструкція, але і атмосферний тиск: чим вище тиск, тим нижче ефективність. Класична схема передбачає адаптацію двигунів першого ступеня до роботи в умовах високого тиску, а другої ступені — в умовах вакууму. У той же час тиск сильно змінюється від висоти, і на етапі роботи першого ступеня доводиться додатково витрачати паливо. В клиноповітряному двигуні за допомогою особливої конструкції сопла можна змінювати тиск газового струменя, що дозволяє уникнути перевитрати і підвищити ефективність на 20% і більше. Реалізація клиноповітряної схеми передбачає також використання безлічі малих ракетних двигунів замість одного великого, що може додатково знижувати вартість за рахунок простоти і потокового виробництва. Старту ракети Firefly Alpha доведеться чекати кілька років, якщо інвестори не втратять інтересу до проекту, і тоді можна буде перевірити на ділі всі теоретичні викладки про ефективність пусків.

РРД, ТРД, гібрид?

Деякі компанії йдуть шляхом пошуку нових типів палива. В рамках проекту ракети Vector-R сконструйований кисень-пропиленовый двигун. Поки розробникам вдалось провести випробування тільки зменшеної версії ракети і запустити її на висоту до півтора кілометра.

Певною популярністю користуються і проекти повітряного старту — пуску ракети з-під крила літака. Незважаючи на те що Pegasus, єдина така ракета, є найдорожчою в перерахунку на кілограм виведеного вантажу, виникають нові ідеї в цій галузі. Далі всіх просунулась Virgin Galactic, більш відома своїм суборбітальним туристичним шатлом SpaceShipTwo, який вже майже десять років готується до підкорення 100-кілометрової висоти. Для комерційних запусків супутників на ракеті LauncherOne переобладнується літак Boeing 747. Є ще кілька проектів інших компаній, аж до використання бізнес-джетів та аеростатів, але вони поки не знайшли достатньої фінансової підтримки.

Надруковані ракети

Інший шлях скорочення витрат і зниження вартості ракети — це використання сучасних технологій. Багато з пропонованих мікроракет створюються з композитних матеріалів: Firefly Alpha, Vector-R, Electron. Раніше вуглецеві композити широко застосовувались тільки для твердопаливних ракет, тому в проектах рідинних ракет присутній певний ризик: технологія поки не пройшла достатнє практичне відпрацювання.

Ще один популярний напрямок — 3D-друк. Тут далі всіх пішли розробники Electron, які активно використовують адитивні технології при виробництві своїх двигунів. Власною їх інновацією стало застосування електронасосів для нагнітання палива. Це рішення було немислимо для конструкторів попередніх років. Тільки коли акумулятори досягли необхідної ємності, а електродвигуни — достатньої потужності, насоси з електроприводами виявились затребуваними. З іншого боку, будь-яка нова технологія підвищує ризик. За однією з неофіційних гіпотез, перший пуск Electron виявився невдалим через те, що скинутий відпрацьований акумулятор пошкодив ракетне сопло двигуна другого ступеня. Втім, офіційного звіту ще не було і висновки робити зарано.

Печать космического класса

Друк космічного класу

Адитивні технології, які бурхливо розвиваються, звичайно ж, не могли минути сучасне ракетобудування. Елементи своїх двигунів вже виготовляють на 3D-принтерах творці мікроракетного проекту Electron. Однак найбільш просунутою в цій галузі можна вважати компанію Space X, що працює в макросфері. Компанія представила рідинний двигун SuperDraco, який призначений насамперед для системи аварійного порятунку перспективної жилої капсули Dragon 2. Ще в 2014 році був випробуваний прототип цієї силової установки, надрукований на 3D-принтері з жароміцного сплаву інконель. Мета — економія на мехобробці заготовок високої складності. Принтер практично не дає відходів і друкує складні вузли з внутрішніми порожнинами як єдине ціле.

В цілому, озираючись на досвід конструювання твердопаливних, гібридних та інших екзотичних ракет, можна припустити, що ступінь інноваційності ракети обернено пропорційна інтересу інвесторів. Чим ближче до класичної рідинної схеми, тим вище перспективи отримати фінансування. Незважаючи на очікувані економічні ефекти від спрощення конструкції, незвичайного палива або схеми польоту, бізнесмени не зацікавлені в проведенні експериментів за свій рахунок. Тому сьогодні найбільше наблизились до реалізації проекти Electron і LauncherOne, що створюються за класичною схемою — рідинні ракети на кисень-гасовому паливі з турбонасосною подачею.

 

Залишити відповідь

Увійти за допомогою: 
Inline
Inline