מקום בשטח פתוח
כידוע, המסמך העיקרי המגדיר את האינטרסים של המדינה, המטרות, העדיפויות והמשימות העיקריות של רוסיה בתחום החקר, החקר והשימוש בחלל החיצון, הוא יסודות מדיניות המדינה של הפדרציה הרוסית ב- תחום פעילות החלל לתקופה עד 2013 ואילך".
בהתאם למסמך זה, סדרי העדיפויות העיקריים הם להבטיח גישה מובטחת של רוסיה לחלל משטחה עם פיתוח ושימוש בטכנולוגיות חלל, טכנולוגיות, עבודות ושירותים למען האינטרסים של התחום החברתי-כלכלי וההגנה הלאומית, כמו גם כביטחון המדינה; יצירת מתקני חלל לטובת המדע; פעילויות הקשורות לביצוע טיסות מאוישות, לרבות יצירת עתודה מדעית וטכנית לביצוע, במסגרת שיתוף פעולה בינלאומי, של טיסות מאוישות לכוכבי לכת וגופים אחרים של מערכת השמש.
יישום יעדים אלו מובטח באמצעות שימוש ופיתוח של פוטנציאלים מדעיים, טכניים וייצוריים קיימים ליצירת רכבי שיגור מתקדמים, גוררים בין-מסלוליים, מערכות מטרה ושירות של חלליות אוטומטיות (SC), חלליות מאוישות מדור חדש, אלמנטים תשתית עבור פעילויות בחלל עמוק וטכנולוגיות פורצות דרך לפתרון בעיות יעד וטכנולוגיות ייצור.
התוצאה תהיה שימור מעמדה של רוסיה כאחת ממעצמות החלל המובילות, אישור להסתפקות עצמית בהבטחת פעילות החלל שלה על פני כל קשת המשימות הדורשות יצירת קונסטלציה מסלולית של חלליות המבוססת על צי יעיל מבחינה כלכלית. של רכבי שיגור רוסים (SV).
הצורך לשמור על עמדה יציבה ותחרותיות בשוק שירותי ההשקה מהווה תמריץ לשיפור האינדיקטורים הטכניים והכלכליים של ה-SV, בעיקר כדי להגדיל את יכולות האנרגיה שלהם.
כל הגורמים הללו באו לידי ביטוי בצורה הברורה ביותר בדוגמה של המוצר המוצלח ביותר מבחינה כלכלית של הקוסמונאוטיקה הרוסית - רכב השיגור מסוג פרוטון. כניסתו של רכב השיגור פרוטון לשוק הבינלאומי של שירותי השיגור והמודרניזציה המתמדת שלו אפשרה ל-GKNPTs im. M. V. Khrunichev לשרוד בשנות ה -90 ו"אפס" ולשמור על שיתוף פעולה תעשייתי, הבטחת תחזוקה של הקונסטלציה הרוסית המסלולית של חלליות והשתתפות בפרויקטים בינלאומיים.
מטען על סולמות התחרות
על מנת לקבוע אילו SVs לפתח ב-FKP-2025, יש להבין כי יכולות האנרגיה של רכב השיגור נקבעות על ידי מסת המטען המשוגר למסלול העבודה. לעתים קרובות, אם כי לא לגמרי נכון, כאשר מעריכים את האנרגיה של רכב שיגור, נעשה שימוש במסלול נמוך של כדור הארץ בגובה של 200 קילומטרים ובנטייה השווה לקו הרוחב של נקודת ההתחלה. לתפקוד החללית, מסלול זה אינו משמש כמסלול עובד, משום שבשל האטת האטמוספרה, זמן קיומה של החללית עליו אינו עולה על שבוע. מבין מגוון החלליות, השוק היקר ועתיר המשאבים ביותר הוא חלליות טלקומוניקציה הפועלות במסלול גיאוסטציונרי.
ישנם שני מאפיינים של שיגורים מסחריים של חלליות טלקומוניקציה. המסה של חלליות מסחריות גדלה מהר יותר מאלה ששוגרו במסגרת תוכניות פדרליות. אבל כפי שניתן לראות בגרף, אפילו המסה של חלליות מסחריות רחוקה מלהיות בלתי מוגבלת, והשיגור שלהן אינו מצריך שיגור מחלקה סופר כבדה (STK שיגור) מסוג SLS.
ישנם גם הבדלים בתכנית הבליסטית של שיגורים מסחריים. כך קרה שחלליות זרות, בניגוד לחלליות מקומיות, אינן משוגרות מיד למסלול גיאוסטציוני, אלא ל"מסלול גיאו-טרנספר סטנדרטי" בגובה ביניים. החללית שנפרדה מכלי השיגור שעליו, לאחר הפסקה בליסטית של כחמש שעות בנקודת האפוגי' של המסלול, משתמשת במערכת הנעה משלה כדי לחשב את הדחף המבטיח היווצרות מסלול גיאוסטציונרי. בהתחשב בצריכת הדלק, מסת המטען המשוגר למסלול הגיאו-טרנספר הביניים צריך להיות גדול פי 1,6 בערך מאשר במסלול העבודה, כלומר, גיאוסטציונרי.
אבל בחזרה לפרוטון - דווקא הצורך לשמור על תחרותיות בשוק שירותי ההשקה הפך לסיבה לביצוע ארבעה שלבים של המודרניזציה שלו על חשבון כספים מהשקות מסחריות של רכב השיגור פרוטון - מהגרסה המקורית של פרוטון -K ל-Proton-M ופיתוח לרכב השיגור Proton של השלב העליון החדש (RB) Briz-M, שאיפשר להגדיל את מסת המטען המשוגר למסלול הגיאוסטציוני מ-2,6 ל-3,5 טון ולתוך הגיאוטרנספר. מסלול מ 4,5 עד 6,3, XNUMX טון. אבל לא משנה כמה טוב הוא המוביל פרוטון, השיגורים שלו לא נעשים משטחה של רוסיה. ישנן גם בעיות באספקת הדלק לפרוטון, הפטיל רעיל ביותר המשמש בטילי קרב ומסווג כחומר מדרגת המפגעים הראשונה והגבוהה ביותר.
הנהגת המדינה הטילה על התעשייה את המשימה להבטיח גישה מובטחת לחלל משטחה - שיגור חלליות צריך להתבצע באמצעות רקטות שתוכננו ויוצרו ברוסיה. בנוסף, יש צורך לשפר את הבטיחות הסביבתית של שיגורים על ידי ביטול השימוש בדלק רעיל.
משימות אלה צריכות להיפתר על ידי התוכנית ליצירת כלי השיגור מסוג אנגרה כבד, אשר תבטיח שיגור מובטח של חלליות טלקומוניקציה ומטאורולוגיות וחלליות למסלול גיאוסטציונרי, תוך הבטחת ההגנה והביטחון של המדינה.
לרוע המזל, רכב השיגור אנגרה נוצר במשך זמן רב למדי. הצו של ממשלת הפדרציה הרוסית על פיתוח פרויקט למתחם רקטות חלל כבדות (SRC) אומץ בהתבסס על תוצאות תחרות שנערכה 22 שנים לפני השיגור הראשון של רכב השיגור. מימון אמיתי לתוכנית החל לאחר 2005. היא אפשרה לערוך שני שיגורי ניסוי מוצלחים ב-2014 ולתכנן שיגורים של רכבי שיגור עם מטענים ממוקדים מ-2016. כאשר ישוגר מהקוסמודרום של Plesetsk, יכולות האנרגיה של רכב השיגור Angara-A5 עם המשגר הקריוגני KVTK יבטיחו שיגור של מטען במשקל 4,5 טון למסלול גיאוסטציוני ו-7,5 טון למסלול גיאוגרפי סטנדרטי (בעת שימוש ב- Breeze- רכב שיגור M - 2,9 ו-5,4 טון, בהתאמה).
בעת פריסת החללית אנגרה בקוסמודרום ווסטוצ'ני, יכולות האנרגיה של רכב השיגור אנגרה-A5 עם החמצן-מימן RB KVTK יבטיחו שיגור של מטען במשקל של עד חמישה טון למסלול גיאוסטציונרי, ועד שמונה טון להעברה גיאוגרפית. מַסלוּל. עתודת אנרגיה זו מספיקה בעתיד הקרוב לשיגור חלליות במסגרת תוכניות פדרליות, אך אינה מאפשרת להתחרות על שיגור חלליות בטווח המחירים העליון עם רכבי שיגור זרים כבדים חדשים בעלי מטען מוגבר - Delta-IVH, Ariane-5ECA ואטלס-5. במיוחד, רכב השיגור Atlas-5 מסדרת ה-500 משגר עד 8,7 טון למסלול העברה גיאוגרפית, והמשגר החזק ביותר המשמש לשיגור חללית משרד ההגנה האמריקאי (Delta-IVH) מבטיח שיגור של מטען במשקל של עד 13,1 טון למסלול העברה גיאוגרפית, טון אחד.
לאחר ניתוח מקיף של סדרי העדיפויות והדרישות ליכולות הכוח של ה-SV, כמו גם מצב שוק שירותי החלל, ה-NTS של Roscosmos קבע כי על מנת לפתור בעיות בחלל החיצון, כולל שיגור חלליות מבטיחות עם מסה של לפחות שבעה טון למסלול גיאוסטציונרי ו-12 טון למסלול גיאו-מעבר, יידרש רכב שיגור המסוגל להעביר לפחות 35 טון מטען למסלול נמוך של כדור הארץ.
ניתן ליצור רכב שיגור כזה, ה-Angara-A5V, על ידי החלפת השלב השלישי של חמצן-קרוזין של רכב השיגור Angara-A5 בשלב חדש של חמצן-מימן שפותח. רכב השיגור Angara-A5V מאוחד בצורה מקסימלית עם כלי השיגור Angara-A5 שנוצר, כולל מבחינת מתקני תשתית חלל קרקעית. מבחינת יכולות אנרגיה, רכב השיגור Angara-A5V יתאים לרכבי השיגור הזרים המפותחים כיום בעלי עומס מוגבר כגון Ariane-6 (אירופה), Vulcan (ארה"ב), CZ-5 (סין) ו-H-3 (יפן). ) ויספק בטווח הקצר, את התחרותיות של SVs מעמד כבד רוסי בשוק העולמי של שירותי החלל.
כלי השיגור הכבדים שלנו Proton-M ו-Angara-A5 עם מנועי רקטות הנעה נוזלי (LPRE) תואמים לכלי שיגור זרים הן מבחינת יחס דחף למשקל והן מבחינת מסות מטען המשוגר למסלולים מוגדרים.
עם גז או בלי גז
נכון להיום, צי ה-SV המקומיים מורכב משיגור Rokot קלה, משגר סויוז בדרגה בינונית עם כלי השיגור Fregat, ומרכב השיגור מסוג Proton עם כלי השיגור DM ו-Breeze-M.
בזמן הקרוב יחליפו רכבי השיגור "הפטיל" רוקוט ופרוטון את רכבי השיגור הידידותיים לסביבה של משפחת אנגרה. במקביל, מתוכנן לשפר את הטכנולוגיה ולהוזיל את העלות של רכבי השיגור הסדרתיים של אנגרה-A5. כמו כן מתוכננת עבודה להחלפת ה-"הפטיל" RB "Fregat" ב-RB "ML" בגודל קטן על רכיבים ידידותיים לסביבה. כמו כן, מתוכנן להחליף את ה-Soyuz LV, מוותיקי טכנולוגיית הרקטות המקומית, ב-LV ברמה בינונית מבטיחה, שנוצרה כחלק מעבודת הפיתוח של הפניקס. במהלך פיתוחו מתוכנן להטמיע טכנולוגיות מבטיחות המספקות הגדלת מאפיינים תפעוליים, לרבות שימוש בגז נוזלי (LNG) כדלק רקטי.
מקום בשטח פתוח
למה LNG מעניין? היתרון העיקרי הוא האפשרות הבסיסית להוזיל את עלות מערכת ההנעה (PS) של רכב השיגור עקב ירידה רדיקלית בלחץ העבודה בתא הבעירה של המנוע (מ-250-260 ל-160-170 אטמוספרות) עם ירידה קלה (≈4%) עלייה בדחף הספציפי לריק. עלייה בפרמטר האחרון מאפשרת לשמור על רמת מאפייני מסת האנרגיה שהושגה של שלבי רכב השיגור, למרות הצפיפות הנמוכה פי שניים של LNG בהשוואה לנפט. תכונה של מנועי רקטות להנעה נוזלית המונעים על ידי LNG היא האפשרות לפתח מנוע של תוכנית התאוששות שפחות נוטה להתפתחות נפץ חולפת של מצבי חירום. באופן כללי, מחקרי היתכנות ראשוניים מראים כי ניתן לצפות להוזלה בעלות ה-PS על LNG בכפי 1,5 בהשוואה ל-PS המבוסס על מנועי רקטות נוזלי נפט קיימים בלחץ גבוה, מה שיגדיל את התחרותיות של כלי השיגור המקומיים.
בהערכת הניסיון ביצירת רכב שיגור סופר-כבד, יש לציין כי אנרג'יה-בורן היא ללא ספק התקופה של טכנולוגיית הרקטות המקומית, תוכנית יוצאת דופן מבחינת ארגון, ריכוז משאבים, הישגים בפיתוח מבניים וחום חדשים. -חומרי מיגון, שליטה בטכנולוגיות ליצירת מנועי נפט ומימן רבי עוצמה, ייצור והובלה של כמויות גדולות של מימן נוזלי, אווירודינמיקה היפרסונית וכו'. כל המדינה עבדה בשביל זה, אבל למדינה לא היו האמצעים, הכוחות והיעדים לפרוס את מערכת החלל הזו במסלול. במקביל, במשך 10 שנים של עבודה על יצירת מתחם אנרג'יה-בורן, הוצאו יותר משליש מהכספים שהוקצו לפעילות חלל, מה שהשפיע על האפקטיביות של יישום שאר אזוריו.
במהלך תקופה זו, סוכנות החלל האירופית (ESA) פיתחה והחלה לבצע שיגורים של כלי השיגור Ariane-4 בדרגה בינונית. עם הרקטה הזו, Arianspace כבשה יותר ממחצית משוק השיגורים המסחריים למסלולי העברה גיאוגרפית, ולאחר שהרוויחה כסף, יצרה את כלי השיגור Ariane-5 מסוג כבד, שעדיין מבטיח את יישום תוכניות החלל של ESA ומחזיק למעלה מ-40% שוק שירותי ההשקה העולמי.
העיתון "VPK" (מס' 27) כתב: "... הפנטגון צריך להרגיש תחושת סיפוק עמוקה, לראות כיצד רוסיה נלקחת רחוק יותר ויותר מיצירת רכבי שיגור מודרניים סופר-כבדים", אך מעריך להראות שכל המשימות הצבאיות בעתיד הנראה לעין הפנטגון יחליט להשתמש בכלי השיגור הכבדים של Delta IVH ו-Atlas-5 ולא בשיגור SLS שנבנה למשימות בין-כוכביות. זה לא נכון להשוות את יכולות האנרגיה של רכב השיגור 25 טון אנגרה-A5 ורכב השיגור 130 טון SLS - זה כמו לומר: "משאית מזבלה במשקל 130 טון מגניבה יותר מקמאז, וגזל זה לא מכונית בכלל." בכלל לא: כל רכב - מכונית או רקטה, כדי להיות יעילים, חייבים להיות מופעלים בסמוך לגבול העליון של יכולות האנרגיה שלו. אם נוסעים ברכב השיגור ריק, עלות שיגור המטען ליחידה עולה, וזהו אחד המדדים העיקריים ליעילותו של שיגור. לכן, המדינה זקוקה לא לרכב שיגור סופר-עוצמתי אחד, אלא לצי מאוזן אופטימלי של רכבי פנאי במטענים שונים עבור מטענים ספציפיים. אם אין מטענים כאלה עבור רכב השיגור, אז זה מסתכן בחלוקה בגורלה של אנרג'יה. אגב, זה משמעותי ששתי רקטות שבתאי-5 נשלחו למוזיאון בתום תוכנית טיסות הירח של נאס"א ושל משרד ההגנה האמריקני מבלי למצוא עבורן מטען.
סוגיית השימוש המיועד בשיגור STK נשקללה ב-NTS של Roscosmos - הגיעו למסקנה שאין צורך לשגר מטענים חד-מטענים במשקל 50-70 טון לפני 2030-2035. סדרי העדיפויות של תעשיית החלל ברוסיה, אנו חוזרים, מוגדרים ב"יסודות מדיניות המדינה בתחום פעילויות החלל..." המשימות העיקריות הן פיתוח קבוצות מסלוליות של חלליות עבור מדעי, חברתי-כלכלי ודואלי. מטרות. לכן, בכיוון של פיתוח רכב שיגור סופר-כבד, החליטה ה-NTS של Roscosmos עד 2025 להגביל את עצמה ליצירת עתודה מדעית וטכנית ופיתוח טכנולוגיות מבטיחות.
יש להודות שהמצב הנוכחי של קבוצת החלליות המסלולית המקומית, בלשון המעטה, אינו המשגשג ביותר. בפרט, קבוצת לווייני החישה מרחוק של כדור הארץ (ERS) מורכבת משבעה לוויינים בלבד ומספקת את הצרכים של צרכנים מקומיים ברמה של 20-30 אחוזים, בעוד שקבוצות לווייני החישה מרחוק של ארצות הברית, מדינות אירופה וסין מורכבות. של יותר מ-35 לוויינים כל אחד, המספקים משטח שליטה גלובלי של כדור הארץ, כולל בטווח המכ"ם. אפילו בהודו, קיבוץ לווייני החישה מרחוק כולל 17 לוויינים. זה המקום שבו, קודם כל, יש לבזבז את כספי FKP-2025 - בפיתוח לוויינים לתקשורת, ניווט, חישה מרחוק, מטאורולוגיה, כולל לוויינים עם רזולוציה מרחבית גבוהה לכל מזג אוויר, שחשובה במיוחד עבור סיביר, הצפון הרחוק, הארקטי והמזרח הרחוק.
כפי שמראים חישובים בליסטיים, בעת שיגור מהקוסמודרום ווסטוצ'ני, גרסה אופטימלית של רכב השיגור Angara-A5V עם RB KVTK-V קריוגני משודרג תבטיח שיגור של מטען במשקל של עד 11,9 טון למסלול העברה גיאוגרפית ועד 7,2 טון למסלול גיאוסטציונרי, וגם את האפשרות ליישם את השלב הראשוני של התוכנית המאוישת הירחי באמצעות תוכנית של ארבעה שיגורים (ראה איור): שני שיגורים זוגיים של רכב השיגור, המספקים מסירה נפרדת של מתחם הנחיתה וההמראה הירחי. (LLC) וכלי התחבורה המאוישים (PTC) למסלול הירח עם עגינה שלהם במסלול לוויין מלאכותי של הירח (AISL) והנחיתה שלאחר מכן של ה-LPVK עם הצוות על פני הירח.
שיגור זוגי טיפוסי כולל הכנסת מטען למסלול בליסטי כחלק מ-PTK או LPVT ומשיכת חמצן-קרוסין בין-אורביטלית בגודל קטן (MOB2), שנוצרה על בסיס ה-DM RB, שתבטיח את ההחדרה הסופית. של המטען למסלול נמוך של כדור הארץ ולאחר מכן עגינה עם סירת גוררת בין-אורביטלית קריוגנית כבדה (MOB1), שפותחה על בסיס השמורה עבור ה-RB KVTK. MOB1 עם משקל שיגור של יותר מ-38 טון מושק על פי התוכנית עם השקה נוספת על ידי ההשקה השנייה של רכב השיגור Angara-A5V. לאחר עגינה במסלול נמוך של כדור הארץ ובהדרגה, הרכב הבין-מסלולי הירח המורכב משוגר לראשונה למסלול אליפטי מאוד באמצעות אנרגיית MOB1. לאחר מיצוי הדלק, המימן MOB1 נפרד והנפט MOB2 משלים את היווצרות מסלול היציאה. יתרה מכך, MOB2 מבטיח את תיקון המסלול בטיסה לירח והעברת המטען למסלול סביב הירח. פרויקט FKP-2025 מספק עבודה על כספים אלה.
כמובן, ערכת ריבוי השיגורים היא די מסובכת, היא דורשת את התיאום הגבוה ביותר: צוות השיגור חייב לעבוד בו-זמנית על שני משגרים, כמו שעון. מחקרי היתכנות ראשוניים מראים כי השימוש בשלב הראשוני של התוכנית המאוישת הירחי ב-LV רב-תכליתי עם מטען מוגבר של 35 טון במקום LV סופר-כבד של 80 טון יפחית את העלויות הכספיות ביותר מ- סדר גודל, והמשאבים שנחסכו יכולים לשמש למען פיתוח קבוצת הכוכבים המסלולית של החללית המקומית למטרות סוציו-אקונומיות, מדעיות וכפולות.
באשר לשימוש בהנעה מוצקה (STU) כחלק מרכב שיגור, יש לציין כאן שלמנועי רקטות מוצק (SRM) יש לא רק יתרונות, אלא גם חסרונות בהשוואה ל-LRE - דחף דחף ספציפי מופחת ב-10-30 אחוזים, שלמות משקל גרועה יותר של התכנון, סכנת שריפה ופיצוץ בייצור וציוד של מטען הדלק, הגבלת זמן פעולה, בקרת דחף, על תנאי הטמפרטורה במהלך ההפעלה, השפעות מזיקות של מוצרי בעירה על הסביבה. בנוסף, יש לקחת בחשבון את העלות המוגדלת ב-30–40 אחוזים של רכב שיגור עם מנועי רקטות הנעה מוצק בהשוואה למשגר רקטות עם מנועי רקטות הנעה נוזלי והצורך להשקיע כספים משמעותיים בפיתוח הייצור. , בסיס טכנולוגי ובדיקות ליצירת מנועי רקטות הנעה מוצק בגודל גדול.
השימוש במנועי רקטות הנעה מוצק בגודל גדול כחלק מרכב שיגור נשקל שוב ושוב בפרויקטים מקומיים, אך בהתחשב בגורמים לעיל, בהתבסס על תוצאות השוואת חלופות, הבחירה נעשתה תמיד לטובת רקטה מנוע. רוסיה מובילה בפיתוח וייצור של מנועי רקטות קיימא, אשר נרכשים על ידי לקוחות, כולל אלו מארצות הברית. בפרויקט FKP-2025 מתוכנן גם לפתח את הטכנולוגיה ליצירת מנוע רקטי מניע מוצק שיגור עם דחף של כ-100 טון. כדאיות השימוש במנועי רקטות הנעה מוצק בכלי שיגור מתקדמים, למשל, באותה הפניקס, תקבע בהמשך, על סמך תוצאות ניתוח מפורט.
לסיכום: ברור שניתן להמשיך ולשפר את פרויקט FKP-2025, אולם מבחינת פיתוח רכבי שיגור, מסמך זה די מאוזן, הוא משקף את מצב העניינים האמיתי וקובע את סיכויי הפיתוח בתחום זה של התעשייה עד 2025, תוך התחשבות בסדר העדיפויות הקבוע של פעילויות חלל והזדמנויות המדינה למימון שלה.
מידע