בחלל על מטאורקט: פרויקטים של כלי שיגור חלל קטנים במיוחד
כיבוש החלל החיצון הפך לאחד ההישגים החשובים והעידנים ביותר של האנושות. יצירת רכבי השיגור והתשתית לשיגורם דרשו מאמצים אדירים מהמדינות המובילות בעולם. בזמננו חלה מגמה של יצירת רכבי שיגור לשימוש חוזר מלא המסוגלים לבצע עשרות טיסות לחלל. הפיתוח והתפעול שלהם עדיין דורשים משאבים אדירים, שיכולים להינתן רק על ידי מדינות או תאגידים גדולים (שוב, בתמיכת המדינה).
רקטת ה-R-7 הסובייטית, שב-4 באוקטובר 1957 שיגרה לראשונה לוויין מלאכותי למסלול כדור הארץ, והרעיון של הרקטה הסופר-כבדה האמריקאית BFR, שיכולה כיום להפוך לשיגור המתקדם ביותר, שניתן לשימוש חוזר מלא. רכב זמין לאנושות
בתחילת המאה ה-1, השיפור והמזעור של הרכיבים האלקטרוניים אפשרו ליצור לוויינים בגודל קטן (מה שנקרא "מיקרו-לוויינים" ו"ננו-לוויינים"), שמסתם היא בטווח של 100-100 ק"ג. לאחרונה, דיברנו על "לווייני פיקו" (במשקל של 1 גרם עד 100 ק"ג) ועל "לווייני פמטו" (במשקל של פחות מ-XNUMX גרם). לוויינים כאלה יכולים להיות משוגרים כמטען קבורה מלקוחות שונים או כמטען עובר לחללית "גדולה" (SC). שיטת שיגור זו אינה תמיד נוחה, מכיוון שיצרני הננו-לוויינים (נשתמש בייעוד זה עבור כל הממדים של חלליות קטנות במיוחד בעתיד) צריכים להתאים את עצמם גם ללוח הזמנים של הלקוחות לשיגור המטען הראשי. כמו בשל הבדלים במסלולי השיגור.
הדבר הוביל להתעוררות הביקוש לרכבי שיגור קטנים במיוחד המסוגלים לשגר חלליות במסה של כ-1-100 ק"ג.
DARPA ו-KB MiG
היו ומפותחים פרויקטים רבים של רכבי שיגור קלים במיוחד - עם שיגור קרקעי, אווירי וימי. במיוחד, סוכנות DARPA האמריקאית עבדה באופן פעיל על בעיית השיגור המהיר של חלליות קטנות במיוחד. בפרט, אנו יכולים להיזכר בפרויקט ALASA, ששוגר ב-2012, במסגרתו תוכנן ליצור רקטה בגודל קטן שנועד להיות משוגר ממטוס קרב F-15E ולהכניס לוויינים במשקל של עד 45 ק"ג למסלול ייחוס נמוך ( מַזַל אַריֵה).
פרויקט ALASA
ה-LREs שהותקנו על הרקטה היו אמורים לפעול על חומרי הנעה NA-7, כולל מונופרופילן, תחמוצת חנקן ואצטילן. עלות ההשקה לא תעלה על מיליון דולר. יש להניח שבעיות בדלק, במיוחד בהצתה עצמית ונטייתו להתפוצץ, הן ששמו קץ לפרויקט הזה.
פרויקט דומה נערך ברוסיה. בשנת 1997 החלה לשכת התכנון של מיג, יחד עם קזקוסמוס (קזחסטן), לפתח מערכת לשיגור מטען (PN) למסלול באמצעות מיירט מיג-31I (אישים) שעבר הסבה. הפרויקט פותח על בסיס הבסיס ליצירת שינוי אנטי לווייני של ה-MiG-31D.
רקטה תלת-שלבית, ששוגרה לגובה של כ-17 מטר ובמהירות של 000 קמ"ש, הייתה אמורה להבטיח שיגור מטען במשקל 3000 ק"ג למסלול בגובה 300 ק"מ, מטען במשקל 160 ק"ג. למסלול בגובה של 600 קילומטרים.
המצב הפיננסי הקשה ברוסיה בסוף שנות ה-90 ותחילת שנות ה-2000 לא אפשר את מימוש הפרויקט הזה במתכת, אם כי לא ניתן לשלול מכשולים טכניים בתהליך הפיתוח.
היו עוד הרבה פרויקטים לרכבי שיגור קלים במיוחד. המאפיין הייחודי שלהם יכול להיחשב לפיתוח פרויקטים על ידי סוכנויות ממשלתיות או תאגידים גדולים (למעשה "ממלכתיים"). פלטפורמת השיגור הייתה צריכה להיות לרוב פלטפורמות מורכבות ויקרות כמו מטוסי קרב, מפציצים או מטוסי תובלה כבדים.
כל זה ביחד סיבך את הפיתוח והעלה את עלות המתחמים, וכיום ההובלה ביצירת רכבי שיגור קלים עברה לידי חברות פרטיות.
מעבדת רקטות
אחד הפרויקטים המוצלחים והמפורסמים ביותר של רקטות אולטרה-קלות יכול להיחשב ככלי השיגור האלקטרון של חברת Rocket Lab האמריקאית-ניו זילנדית. רקטה דו-שלבית זו עם מסה של 12550 ק"ג מסוגלת לשגר 250 ק"ג של PL או 150 ק"ג של PL לתוך LEO למסלול סינכרוני של השמש (SSO) בגובה של 500 ק"מ. החברה מתכננת לשגר עד 130 טילים בשנה.
עיצוב הרקטה עשוי מסיבי פחמן, מנועי סילון הנעה נוזלי (LRE) משמשים על צמד דלק של נפט + חמצן. כדי לפשט ולהפחית את עלות התכנון, הוא משתמש בסוללות ליתיום-פולימר כמקור זרם, מערכות בקרה פנאומטיות ומערכת לעקירת דלק ממיכלים הפועלים על הליום דחוס. בייצור של מנועי רקטות ורכיבים רקטיים אחרים, נעשה שימוש פעיל בטכנולוגיות תוספים.
מידות שיגור האלקטרון לעומת מידות הרקטות Soyuz-2.1a, Ariane-5, Falcon 9 ו-Falcon HAVI
ניתן לציין כי הרקטה הראשונה של Rocket Lab הייתה הרקטה המטאורולוגית Cosmos-1 ("Atea-1" בשפה המאורית), המסוגלת להרים מטען של 2 ק"ג לגובה של כ-120 קילומטרים.
לין תעשייתי
ה"אנלוגי" הרוסי של Rocket Lab יכול להיקרא חברת Lin Industrial, המפתחת פרויקטים הן לטיל התת-מסלולי הפשוט ביותר המסוגל להגיע לגובה של 100 ק"מ, והן לכלי שיגור שנועדו לשגר מטענים ל-LEO ו-SSO.
למרות ששוק הרקטות התת-מסלוליות (בעיקר כמו רקטות מטאורולוגיות וגיאופיזיות) נשלט על ידי פתרונות עם מנועי דלק מוצק, לין תעשייתי בונה את הרקטה התת-מסלולית שלה על בסיס מנוע רקטי המופעל על ידי נפט ומי חמצן. זה נובע ככל הנראה מהעובדה שלין תעשייתי רואה את כיוון הפיתוח העיקרי שלה בשיגור מסחרי של רכב שיגור למסלול, ורקטה תת-מסלולית של דלק נוזלי נוטה יותר לשמש לפיתוח פתרונות טכניים.
הפרויקט המרכזי של חברת "לין תעשייתי" הוא רכב השיגור האולטרה קל "תימיר". בתחילה, הפרויקט סיפק פריסה מודולרית עם סידור מקביל לסדרה של מודולים, המאפשר ליצור רכב שיגור עם יכולת לשגר מטען במשקל של 10 עד 180 ק"ג ל- LEO. השינוי במסה המינימלית של הפלט PN אמור היה להיות מובטח על ידי שינוי מספר יחידות הטילים האוניברסליות (URB) - URB-1, URB-2 ו-URB-3 ויחידת הטילים השלב השלישי RB-2.
- "Taimir-1A" - רכב שיגור תלת שלבי. השלב הראשון הוא URB-1 עם תשעה מנועים רקטיים, השלב השני הוא URB-2 עם מנוע רקטי אחד עם דחף של ~400 kgf, השלב השלישי הוא URB-3. משקל שיגור - 2,6 טון, אורך - 16 מ', מסת מטען במסלול נמוך - 12 ק"ג.
- "תימיר-1" - רכב שיגור תלת שלבי. השלב הראשון הוא URB-1 עם דחף אחד של LRE ~ 4 tf, השלב השני הוא URB-2 עם LRE ~ 400 kgf, השלב השלישי הוא URB-3. משקל שיגור - 2,6 טון, אורך - 16 מ', מסת מטען במסלול נמוך - 14 ק"ג.
- "תימיר-5" - רכב שיגור תלת שלבי. השלב הראשון הוא 4 URB-1 עם דחף LRE ~ 4 tf אחד, השלב השני הוא URB-1 אחד עם דחף LRE ~ 4 tf, השלב השלישי הוא URB-2 עם דחף LRE ~ 100 kgf. משקל שיגור - 11,2 טון, אורך - 16 מ', מסת מטען במסלול נמוך - 108 ק"ג.
- "תימיר-7" - רכב שיגור תלת שלבי. השלב הראשון הוא 6 URB-1 עם דחף LRE ~4 tf אחד, השלב השני הוא URB-1 אחד עם דחף אחד של LRE ~4 tf, השלב השלישי הוא URB-2 עם דחף LRE ~100 kgf. משקל שיגור - 15,6 טון, אורך - 16 מ', מסת מטען במסלול נמוך - עד 180 ק"ג, במסלול סינכרוני לשמש - 85 ק"ג.
המנועים של שיגור טיימיר חייבים לפעול על נפט ומי חמצן מרוכז, אספקת הדלק חייבת להתבצע בעקירה עם הליום דחוס. העיצוב צפוי לעשות שימוש נרחב בחומרים מרוכבים, כולל סיבי פחמן ורכיבים המיוצרים בהדפסת תלת מימד.
לאחר מכן, חברת לין תעשייתי נטשה את התכנית המודולרית - רכב השיגור הפך לדו-שלבי, עם סידור שלבים ברצף, וכתוצאה מכך מראהו של שיגור טיימיר החל להידמות למראה של רכב השיגור האלקטרון. של חברת Rocket Lab. כמו כן, מערכת תזוזת ההליום הדחוס הוחלפה באספקת דלק באמצעות משאבות חשמליות המונעות על ידי סוללות.
ההשקה הראשונה של שיגור טיימיר מתוכננת לשנת 2023.
IHI Aerospace
אחד מכלי השיגור האולטרה-קלים המעניינים ביותר הוא הרקטה היפנית תלת-שלבית הנעה מוצקה SS-520 מתוצרת IHI Aerospace, שנוצרה על בסיס הרקטה הגיאופיזית S-520 על ידי הוספת שלב שלישי ושכלול תואם של מערכות לוח. גובה הרקטה SS-520 הוא 9,54 מטר, קוטר 0,54 מטר, משקל השיגור הוא 2600 ק"ג. מסת המטען ל-LEO היא כ-4 ק"ג.
שיגור רכב שיגור SS-520-4
גוף השלב הראשון עשוי מפלדה בעלת חוזק גבוה, השלב השני עשוי מרוכב סיבי פחמן, יריעת הראש עשויה פיברגלס. כל שלושת השלבים הם חומר הנעה מוצק. מערכת בקרת רכב השיגור SS-520 מופעלת מעת לעת ברגע ההפרדה של השלב הראשון והשני, ובשאר הזמן הרקטה מיוצבת על ידי סיבוב.
ב-3 בפברואר 2018, שיגר רכב השיגור SS-520-4 בהצלחה את ה-TRICOM-1R cubesat במשקל 3 קילוגרם, שנועד להדגים את האפשרות ליצור חלליות מרכיבים אלקטרוניים לצרכן. בזמן השיגור היה ה-SS-520-4 רכב השיגור הקטן ביותר בעולם, שהיה רשום בספר השיאים של גינס.
יצירת רכבי שיגור קטנים במיוחד המבוססים על רקטות מטאורולוגיות וגיאופיזיות בעלות הנעה מוצקה יכולה להיות כיוון מבטיח למדי. טילים כאלה קלים לתחזוקה וניתנים לאחסון לאורך זמן במצב המבטיח את הכנתם לשיגור בזמן הקצר ביותר.
עלות מנוע רקטי עם הנעה נוזלית יכולה להיות כ-50% מעלות הרקטה, ולא סביר שניתן יהיה להגיע לנתון של פחות מ-30%, גם אם לוקחים בחשבון שימוש בטכנולוגיות תוספים. רכבי שיגור עם הנעה מוצקה אינם משתמשים במחמצן קריוגני, המצריך תנאי אחסון ותדלוק מיוחדים מיד לפני השיגור. במקביל, לייצור מטעני הנעה מוצקים מפותחות גם טכנולוגיות תוספים המאפשרות "להדפיס" מטעני דלק בתצורה הנדרשת.
הממדים הקומפקטיים של רכבי השיגור האולטרה-קלים מפשטים את שינועם ומאפשרים שיגור מנקודות שונות על פני כדור הארץ כדי להשיג את נטיית המסלול הנדרשת. כלי שיגור קלים במיוחד דורשים פלטפורמת שיגור פשוטה בהרבה מטילים "גדולים", המאפשרת להפוך אותם לנייד.
האם יש פרויקטים של טילים דומים ברוסיה ועל סמך מה ניתן ליישם אותם?
ברית המועצות ייצרה מספר לא מבוטל של רקטות מטאורולוגיות - MP-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MP-12, MP-20 ו רקטות גיאופיזיות - R-1A, R-1B, R-1V, R-1E, R-1D, R-2A, R-11A, R-5A, R-5B, R-5V, "אנכי", K65UP, MR -12 , MP-20, MN-300, 1Ya2TA. העיצובים של רבים מהם התבססו על פיתוחים צבאיים של טילים בליסטיים או נגד טילים. במהלך שנות החקירה הפעילה של האטמוספרה העליונה, הגיע מספר השיגורים ל-600-700 רקטות בשנה.
לאחר קריסת ברית המועצות צומצם באופן דרסטי מספר השיגורים וסוגי הטילים. נכון לעכשיו, Roshydromet משתמש בשני מתחמים - MP-30 עם טיל MN-300 שפותח על ידי המוסד הפדרלי התקציבי NPO טייפון / OKB Novator והטיל המטאורולוגי MERA שפותח על ידי JSC KBP.
MP-30 (MN-300)
הטיל של מתחם MP-30 מספק הרמה של 50-150 ק"ג של ציוד מדעי לגובה של עד 300 ק"מ. אורכה של רקטה MN-300 הוא 8012 מ"מ בקוטר של 445 מ"מ, משקל השיגור הוא 1558 ק"ג. עלות שיגור אחד של רקטת MN-300 מוערכת ב-55-60 מיליון רובל.
על בסיס הרקטה MN-300 נשקלת האפשרות ליצור שיגור IR-300 קטן במיוחד על ידי הוספת שלב שני ושלב עליון (למעשה שלב שלישי). כלומר, למעשה, מוצע לחזור על הניסיון המוצלח למדי ביישום כלי השיגור האולטרה-קל היפני SS-520.
יחד עם זאת, כמה מומחים סבורים שמכיוון שהמהירות המרבית של הרקטה MN-300 היא בערך 2000 מ' לשנייה, אז על מנת להשיג את מהירות החלל הראשונה בסדר גודל של 8000 מ' לשנייה, יש צורך לשים רכב השיגור למסלול, עשוי להידרש עיבוד רציני מדי של הפרויקט המקורי. , המייצג בעצם פיתוח של מוצר חדש, שיכול להוביל לעלייה בעלויות השיגור כמעט בסדר גודל ולהפוך אותו ללא רווחי בהשוואה למתחרים.
מידה
הרקטה המטאורולוגית MERA מיועדת להרים מטען במשקל 2-3 ק"ג לגובה של 110 קילומטרים. המסה של רקטת MERA היא 67 ק"ג.
משגר ושיגור הרקטה המטאורולוגית MERA
מטען רקטת מזג האוויר של MERA
במבט ראשון, הרקטה המטאורולוגית של MERA אינה מתאימה לחלוטין לשימוש כבסיס ליצירת רכב שיגור אולטרה-קל, אך יחד עם זאת ישנם כמה ניואנסים המאפשרים לערער על נקודת מבט זו.
מטאורקט MERA הוא רקטה דו-שלבית, ורק השלב הראשון מבצע את פונקציית ההאצה, השני טס באינרציה לאחר ההפרדה, מה שהופך את המכלול הזה לקשור לטילים מונחים נגד מטוסים (SAM) של הטונגוסקה ופנציר נגד. -מערכות טילים ותותחים של מטוסים (ZRPK). למעשה, על בסיס טילים למערכות הגנה אווירית של מתחמים אלו, נוצרה הרקטה המטאורולוגית MERA.
השלב הראשון הוא מארז מרוכב עם מטען הנעה מוצק שהונח בתוכו. תוך 2,5 שניות, השלב הראשון מאיץ את הרקטה המטאורולוגית למהירות של 5M (מהירות הקול), שהיא כ-1500 מ' לשנייה. קוטר השלב הראשון הוא 170 מ"מ.
רקטת מזג האוויר MERA
מיוצר על ידי חומר מרוכב מתפתל, השלב הראשון של הרקטה המטאורולוגית MERA קל במיוחד (לעומת מבני פלדה ואלומיניום במידות דומות) - משקלו הוא 55 ק"ג בלבד. כמו כן, העלות שלו צריכה להיות נמוכה משמעותית מתמיסות העשויות מסיבי פחמן.
על בסיס זה ניתן לשער כי על בסיס השלב הראשון של הרקטה המטאורולוגית MERA ניתן לפתח מודול רקטה מאוחד (URM) המיועד להיווצרות אצווה של שלבים של כלי שיגור אולטרה קלים.
למעשה, יהיו שני מודולים כאלה, הם יהיו שונים בזרבובית של מנוע רקטי, מותאם בהתאם לפעולה באטמוספירה או בוואקום. נכון לעכשיו, הקוטר המרבי של מארזים המיוצרים על ידי KBP JSC בשיטת סלילה הוא כביכול 220 מ"מ. ייתכן שטכנית ניתן לייצר קליפות מרוכבות בקוטר ובאורך גדולים יותר.
מצד שני, יתכן שהפתרון האופטימלי יהיה ייצור של גופים, שגודלם יתאחד עם כל תחמושת עבור מערכת טילי ההגנה האווירית פנטסיר, קליעים מונחים של מתחם הרמס או טילים מטאורולוגיים של MERA, אשר להפחית את העלות של מוצר בודד על ידי הגדלת נפח ההפצה הסדרתית של אותו מוצר.
יש להרכיב את שלבי רכב השיגור מה-URM, מהודקים במקביל, בעוד שהפרדת השלבים תתבצע לרוחב - ההפרדה האורכית של ה-URM בשלב לא מסופקת. ניתן להניח שהשלבים של רכב שיגור כזה יהיו בעלי מסה טפילית גדולה בהשוואה לגוף מונובלוק בקוטר גדול יותר. זה נכון בחלקו, עם זאת, המסה הנמוכה של המארז העשוי מחומרים מרוכבים מאפשרת לקזז במידה רבה את החיסרון הזה. ייתכן שיתברר כי מארז בקוטר גדול שנעשה בטכנולוגיה דומה יהיה הרבה יותר קשה ויקר לייצור, והקירות שלו יצטרכו להיות עבים בהרבה מאלו של URMs המחוברים בחבילה כדי להבטיח את הקשיחות הדרושה של מבנה, כך שבסופו של דבר המסה של פתרונות המונובלוק והחבילה תהיה דומה, בעלות נמוכה יותר מהאחרון. ועם סבירות גבוהה, מארז מונובלוק מפלדה או אלומיניום יהיה כבד יותר מארז מרוכב ארוז.
הקונספט של שיגור קל במיוחד MERA-K המבוסס על ה-KRM, שנעשה על בסיס השלב הראשון של הרקטה המטאורולוגית MERA (התמונה עשויה על בסיס שיגור מודולרי Taimyr של חברת Lin Industrial)
חיבור מקביל של ה-RRM יכול להתבצע באמצעות אלמנטים שטוחים מרוכבים הממוקמים בחלק העליון והתחתון של המדרגה (בנקודות ההיצרות של גוף ה-RRM). במידת הצורך, ניתן להשתמש בנוסף במגהצים מחומרים מרוכבים. כדי להוזיל את העלות בעיצוב, חומרים תעשייתיים טכנולוגיים וזולים, יש להשתמש בדבקים בעלי חוזק גבוה ככל האפשר.
באופן דומה, שלבי רכב השיגור יכולים להיות מחוברים זה לזה על ידי אלמנטים צינוריים או חיזוקים מורכבים, והעיצוב יכול להיות בלתי נפרד, כאשר השלבים מופרדים, ניתן להרוס את האלמנטים התומכים על ידי מטעני פיירו באופן מבוקר. יתרה מכך, כדי להגביר את האמינות, ניתן לאתר מטענים פיירו במספר נקודות הממוקמות ברציפות של המבנה התומך ולהתחיל הן על ידי הצתה חשמלית והן בהצתה ישירה מלהבת המנועים של השלב הגבוה יותר, כאשר הם מופעלים (לצילום התחתון שלב אם ההצתה החשמלית לא פעלה).
חיזוק פיברגלס מרוכב לבנייה הוא בעל חוזק גבוה, משקל נמוך ועמידות גבוהה בפני קורוזיה. ייתכן שהוא עשוי לשמש בייצור אלמנטים נושאי עומס של רכב שיגור קל במיוחד.
ניתן ליישם בקרת LV באותו אופן כפי שהיא נעשית על כלי השיגור האולטרה-קל SS-520 היפני. כמו כן, ניתן לשקול אפשרות של התקנת מערכת בקרת פיקוד רדיו דומה לזו המותקנת במערכת טילי ההגנה האווירית פנטסיר כדי לתקן את הטיסה של כלי השיגור לפחות בחלק מנתיב הטיסה (ואולי בכל שלבי הטיסה). ). באופן פוטנציאלי, הדבר יפחית את כמות הציוד היקר על סיפון רקטה חד פעמית על ידי העברתה לרכב בקרה "רב פעמי".
ניתן להניח כי בהתחשב במבנה התומך, האלמנטים המחברים ומערכת הבקרה, המוצר הסופי יוכל לשגר מטען במשקל ממספר קילוגרמים עד כמה עשרות קילוגרמים (בהתאם למספר מודולי הרקטות המאוחדים בשלבים) לתוך LEO ולהתחרות ברכב השיגור האולטרה-קל היפני SS-520 ורכבי שיגור אולטרה-קלים דומים אחרים שפותחו על ידי חברות רוסיות וזרות.
לצורך מסחור מוצלח של הפרויקט, העלות המוערכת של שיגור רכב השיגור האולטרה-קל MERA-K לא תעלה על 3,5 מיליון דולר (זוהי עלות שיגור השיגור SS-520).
בנוסף לשימוש מסחרי, ניתן להשתמש בשיגור MERA-K לשיגור חירום של חלליות צבאיות, שגם גודלן ומשקלן יפחתו בהדרגה.
כמו כן, הפיתוחים שהושגו במהלך יישום פרויקט רכב השיגור MERA-K יכולים לשמש ליצירת כלי נשק מתקדמים, למשל קומפלקס היפרסוני עם ראש נפץ קונבנציונלי בדמות רחפן קומפקטי, המופל לאחר עליית רכב השיגור. לראש המסלול.
- אנדריי מיטרופנוב
- darpa.mil, vesvks.ru, spacelin.ru, habr.com, bastion-karpenko.ru, rpatyphoon.ru, kbptula.ru
מידע