Условность общепринятой классификации ракет-носителей (РН) легко заметить на простом примере: ракету, способную вывести на низкую орбиту 4,99 т, следует относить к легкому классу грузоподъемности, а 5,01 т – к среднему, хотя может оказаться, что при прочих равных условиях речь идет об одном и том же носителе, а слегка разнятся лишь характеристики околоземной орбиты, которая продолжает считаться низкой. Точно так же условна и граница в 100 т, разделяющая тяжелые и сверхтяжелые носители. Округление в сторону красивого числа, сделанное, как свидетельствуют некоторые источники, по рекомендации основоположника советского ракетного двигателестроения академика В.П. Глушко, привело к тому, что Н-1 оказался тяжелым носителем, а Saturn V – сверхтяжелым, хотя, несомненно, обе «лунные» ракеты следует относить к одному классу. Вследствие этого предполагается сдвинуть границу тяжелого класса к 80 т.
Ситуацию с классификацией легких РН сегодня несколько упрощает то, что все они доставляют на околоземную орбиту не более 4000 кг груза, а их стартовая масса, как правило, не превышает 200–250 т, хотя последнее не фигурирует в качестве определяющего критерия.
К основным используемым в настоящее время или проходящим летно-конструкторские испытания средствам выведения легкого класса относятся американские ракеты-носители Delta II (эксплуатация завершается), Minotaur-C (бывшая Taurus), Minotaur, Pegasus, европейская Vega, японская Epsilon, иранские Safir‑1B и Simorgh, северокорейская Unha, индийская PSLV, израильская Shavit, российско-украинская «Днепр», российские «Рокот» (эксплуатация завершается), «Союз-2.1в» (бывший «Союз‑1») и перспективная «Ангара-1.2», китайские CZ-2D, CZ-6, CZ-11 и KT-1/2.
Как видим, легкие ракеты продолжают строиться и использоваться. Но почему же тогда со страниц СМИ не сходят имена их гораздо более тяжелых и мощных собратьев – SLS и Falcon Heavy, Delta IV и Atlas V, Falcon 9 и Ariane 5, H-IIA и H-IIB, «Союз-2.1а» и «Союз-2.1б», «Протон» и «Ангара-5», CZ-3 и CZ-5?
Об «исключительных достоинствах» носителей легкого класса их разработчики перестали говорить еще в конце 1990‑х гг., но имеющиеся проблемы в меньшей степени интересуют инженеров-ракетчиков, а в большей – экономистов. Первые озабочены, в основном, влиянием так называемого масштабного фактора – снижением конструктивного совершенства и ростом аэродинамических потерь. Первое обстоятельство связано с невозможностью (по технологическим и эксплуатационным причинам) бесконечно уменьшать сечение силовых элементов, а также размеры и массу приборов, агрегатов и систем пропорционально снижению стартовой массы ракеты. Второе – с уменьшением чисел Рейнольдса (Re) и, в гораздо большей степени, ростом нагрузки на мидель из-за закона «квадрата–куба» (при уменьшении линейных размеров масса уменьшается быстрее, чем площадь миделя). Кроме того, из-за снижения конструктивного совершенства ракеты легкого класса зачастую содержат больше ступеней, чем средние и тяжелые носители, что негативно сказывается на надежности выполнения задачи из-за введения дополнительных конструкционных элементов и «событий разделения».
Экономические проблемы оказывают двоякое воздействие. С одной стороны, расходы на разработку и производство при уменьшении размеров и масс носителей снижаются, но происходит это неравномерно и непропорционально. Проектирование легких и средних носителей требует примерно одинаковых трудозатрат, а миниатюризация комплектующих сказывается на стоимости производства нелинейно. Пожалуй, дешевле обходится лишь подготовка к пуску легких ракет.
В результате, с учетом влияния масштабного фактора и включения дополнительных ступеней, пуск «малого» носителя обходится дешевле, чем «большого», в разы, но при этом масса выводимого груза может отличаться на порядок. Соответственно, удельная стоимость выведения полезных нагрузок для легких РН оказывается в разы выше, чем для средних и тяжелых, составляя примерно 30–40 тыс. долл./кг и более против 5–10 тыс. долл./кг. К примеру, расходы на пуск легкой японской твердотопливной ракеты Epsilon, которая выводит на солнечно-синхронную орбиту спутник массой 450 кг, составляют примерно 38 млн долл., а старт российского среднего носителя «Союз-2.1а», способного доставить на ту же орбиту 4,2 т полезного груза, обходится заказчику в 50–60 млн долл.
С другой стороны, в настоящее время легкие ракеты-носители задействованы в специфических секторах рынка, связанных либо с запуском относительно недорогих спутников по заказам университетов и коммерческих организаций, либо с выведением экспериментальных нагрузок в интересах государственных организаций, действующих в рамках ограниченного бюджета.
Иными словами, сегмент легких средств выведения не позволяет «поднять» тех денег, которые дает, например, доставка на геостационарную орбиту коммерческих спутников связи, а удельная стоимость эксплуатации таких ракет буквально приводит инвесторов в уныние. Например, компания SpaceX, которая разработала и довела до коммерческой эксплуатации легкий носитель Falcon 1, отказалась от него в пользу средней ракеты Falcon 9, заказы на которую приносили на порядки больше прибыли. В этих условиях естественной считалась «смерть» легких средств выведения как класса, и замена их средними, что собственно и продемонстрировала компания Илона Маска. Некоторые эксперты неоднократно прогнозировали именно такое развитие событий, но сейчас факты указывают на обратное…
Пару лет назад авторы статьи проанализировали статистику космических запусков. Оказалось, что доля легких ракет в общем числе миссий за 1998–2008 гг. составляла в среднем около 23% (от 16 до 30% в год) без какого-либо видимого тренда к снижению, а доля космических аппаратов, выведенных этими носителями, колебалась в районе трети и даже более от общего числа запущенных спутников. Также удивил дальнейший анализ: даже спустя восемь лет после указанного промежутка времени ситуация кардинально не изменилась! В 2015 г. участники «Большого космического клуба» (неформальной организации стран, которые могут запускать собственные спутники с помощью своих ракет-носителей с национальных космодромов) выполнили 86 пусков (в т.ч. 81 удачных), доставив на орбиту 186 спутников. Легкие носители стартовали 17 раз (из них 16 – успешно), что составляет 20% от общего числа пусков и примерно столько же – от числа успешных, и вывели в космос 65 космических аппаратов (35% от общего числа полезных нагрузок).
Таким образом, несмотря на озвученные проблемы, сегмент легких носителей существует и чувствует себя неплохо. Основной причиной этой стабильности стало бурное развитие малых космических аппаратов (МКА) – спутников и межпланетных зондов массой менее 1000 кг. МКА делятся на следующие классы (в зависимости от массы): собственно, малые космические аппараты (до 1000 кг), «мини» (от 100 до 500 кг), «микро» (от 10 до 100 кг), «нано» (от 1 до 10 кг), «пико» (от 0,1 до 1 кг) и «фемто» (до 0,1 кг).
Когда-то все первые спутники, запущенные странами, входившими в «Большой космический клуб», укладывались в категории «нано» и «микро». Так было с Советским Союзом, Соединенными Штатами, Францией, Японией, Китаем, Великобританией, Индией, Израилем, Северной Кореей и Ираном. В первую очередь, вывод обуславливался ограниченным возможностями национальных средств выведения. Для кандидатов, претендующих на членство в этой организации – Бразилии, Аргентины, Пакистана – данное правило действует до сих пор: научно-техническая и материально-экономическая база этих стран пока позволяет строить лишь носители легкого класса.
Современное развитие МКА обусловлено новыми технологиями. Появление микроминиатюрных электромеханических систем (МЭМС), рост доступности при одновременном снижении массогабаритных параметров и стоимости электронной компонентной базы позволили за меньшие деньги делать легкие и сравнительно простые космические аппараты, обладающие неплохим функционалом.
Тенденция снижения массы низкоорбитальных спутников носит объективный характер. Как правило, такие аппараты решают задачи дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), выполняют научные исследования либо занимаются вопросами технологии в условиях микрогравитации. Обычно такие спутники являются «одноканальными», передавая информацию на ограниченное число наземных приемных пунктов, не требующих высокой мощности передатчиков. Соответственно, микроминиатюризация и использование новых материалов однозначно вызывают тенденцию снижения массы низкоорбитальных аппаратов. Например, советские «космические картографы», сделанные на базе аппаратов «Зенит» и «Янтарь», имели массу до 6,5 т, тогда как большинство аналогичных современных спутников весят чуть не на порядок меньше. Интересно отметить, что из 24 запущенных в 2012 г. спутников съемки Земли 23 были изготовлены на средства госбюджета или организаций и только один (SPOT 6) относился к чисто коммерческим, созданным полностью на средства европейской аэрокосмической компании EADS Astrium.
Несколько лет назад консалтинговая компания Euroconsult приводила следующие данные, характеризующие тенденции развития рынка аппаратов ДЗЗ: в 1999–2008 гг. было запущено 106 спутников ДЗЗ в интересах 24 стран, на следующее десятилетие (2009–2018 гг.) планировался пуск еще 206 таких аппаратов для 34 стран. При этом средняя масса запущенного спутника ДЗЗ снизилась с 1268 до 694 кг, средняя стоимость аппарата снизилась со 165 до 93,7 долл., а суммарная – возросла с 16,7 до 19,3 млрд долл.
Значительная часть современных оптико-электронных спутников дистанционного зондирования, обладающих разрешением порядка 1–3 м на пиксель изображения, имеет массу от 250 до 800 кг. В этот же весовой диапазон укладываются и многие современные радиолокационные аппараты, оснащенные радарами с синтезированной апертурой. Специалисты уже говорят о возможности создания спутников ДЗЗ массой 20–50 кг с оптико-электронными системами субметрового пространственного разрешения.
Не первый год (а, точнее, еще с начала 1990-х) ожидается бум низкоорбитальных систем связи. Увы, до недавних пор все ограничивалось развертыванием многоспутниковых группировок с довольно скромными характеристиками, балансирующих на грани безубыточности (системы GlobalStar, Orbcomm и «Гонец»). Но в прошлом году компания OneWeb объявила о новом проекте низкоорбитальной системы, обеспечивающей глобальный широкополосный доступ в интернет для всех желающих, в т.ч. в странах третьего мира. Планы предполагают запуск 648 микроспутников на фазированные полярные орбиты высотой 1200 км. При этом каждый аппарат будет иметь массу менее 200 кг и пропускную способность 7 Гбит/с. Для запуска спутников OneWeb планируется задействовать российские носители «Союз», стартующие из Гвианского космического центра и космодрома Восточный, американские Falcon 9 и ракеты воздушного пуска LauncherOne фирмы Virgin Galactic. Коммерческое предоставление услуг OneWeb должно начаться в 2019 г.
Таким образом, рынок и сфера применения МКА расширяются. Для формирования орбитальных группировок можно использовать различные носители как среднего, так и легкого класса. При этом в большинстве случаев спутники будут запускаться «пачками» (кластерами). Кластерный запуск экономически выгоден, когда на одну и ту же (или близкую) орбиту требуется вывести несколько однотипных МКА. Если же в качестве полезного груза ракета несет «сборную солянку» разнотипных спутников различных заказчиков, преимущества данного вида запуска снижаются: вместо индивидуального выбора оптимальной орбиты заказчик вынужден отправлять свой аппарат туда, куда «отвезут», и ждать, когда все остальные участники («соседи по кластеру») будут готовы к «поездке».
Не пригоден кластерный запуск и в случае, когда необходимо заменить в орбитальной группировке физически изношенный или морально устаревший аппарат: для одиночных запусков целесообразнее использовать ракеты легкого класса.
Именно развитие МКА стало причиной того, что различные страны создают новые легкие носители. Например, разработчики китайской ракеты CZ-6, которая впервые стартовала 20 сентября 2015 г., прямо заявляли, что ее параметры выбирались исходя из тенденций мирового рынка МКА. Даже скромный по современным меркам носитель CZ-2D нецелесообразно использовать для запуска 500-килограммового спутника, поскольку, несмотря на высокую удельную стоимость выведения, абсолютные затраты на пуск легкого изделия в данном случае оказываются все равно ниже, чем у среднего или тяжелого! Подчеркнем: в данном случае речь идет не о прибыльности коммерческих запусков, а о разумном стремлении снизить общие затраты.
Важная особенность «малых» средств выведения – способность обслуживать широчайший (по массе) диапазон полезных грузов – от сотен граммов до 2–4 т. Создать один тип экономически эффективной легкой ракеты для запусков всех этих нагрузок диапазона невозможно. Соответственно, в последние десять лет получила развитие идея использования специализированных ракет-носителей малого и сверхмалого классов. Если первые конструктивно совпадают с традиционными легкими изделиями, то вторые отличаются разнообразием компоновок и технических решений.
Носители сверхмалого класса, или «нанолончеры» (основное предназначение – запуск нано- и микроспутников) тоже не новинка: первый американский космический носитель Vanguard сегодня относился бы именно к данному классу. Такие ракеты проектируются в разных странах уже на протяжении ряда лет. Интересно, что основными потенциальными заказчиками средств выведения в ряде случае выступают военные. Вот лишь несколько примеров.
NASA и Командование по космической и противоракетной обороне Армии США ASMDC (US Army Space and Missile Defense Command) совместными усилиями разрабатывали трехступенчатую ракету-носитель наземного старта SWORDS, способную выводить на орбиту высотой 750 км спутник массой до 25 кг. Отличительная особенность ракеты – использование в качестве топлива жидкого кислорода и сжиженного метана.
Американская компания Interorbital systems заключила контракт с NASA на разработку модульного носителя Neptune, способного выводить на низкую орбиту полезный груз массой от 30 до 1000 кг. Еще фирма из США, Microcosm, работает над семейством носителей на основе двигателя Scorpius, работающего на жидком кислороде и керосине. Самая маленькая ракета – Mini-Sprite – трехступенчатая, способна вывести на орбиту до 100 кг и стартовать в течение суток после получения запроса. Microcosm считает, что запуск будет стоить всего 3 млн долл., если ВВС оплатят расходы на разработку.
Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) вело программу «Доступ в космос с помощью воздушного старта» ALASA (Airborne Launch Assist Space Access), имеющую целью разработку «наноносителя» воздушного пуска, который можно запустить в течение суток с момента поступления приказа. Его грузоподъемность – 45 кг при стоимости пуска примерно 1 млн долл.
Фирма Rocketlab из Новой Зеландии разрабатывает проект сверхлегкого носителя Electron, способного вывести на низкую орбиту высотой 500 км спутник массой 110 кг. Особенность полностью композитной двухступенчатой ракеты – высокоэкономичные двигатели сравнительно небольшой тяги с электронасосной подачей жидкого кислорода и керосина. Разработчик обещает запускать носитель раз в неделю при цене в 4,9 млн долл. за миссию.
Компания VirginGalactic миллиардера Ричарда Брэнсона, планирующая суборбитальные туристические рейсы, предлагает сверхлегкий носитель воздушного старта LauncherOne, который при цене пуска в 10 млн долл. сможет доставлять на солнечно-синхронные орбиты спутники массой до 200 кг.
Известно множество аналогичных проектов, однако, к сожалению, на сегодня нет ни одного летающего «нанолончера». В марте 2014 г. из-за превышения стоимости завершилась разработка проекта SWORDS, в конце 2015 г. по техническим причинам была закрыта программа ALASA. Неудачей закончилась 3 ноября 2015 г. попытка орбитального пуска ракеты SPARC (Spaceborne Payload Assist Rocket Kauai), известной также как SuperStrypi.
Основной причиной неудач проектов сверхмалых носителей является крайняя сложность обеспечения конкурентоспособной цены запуска. Например, чтобы неплохо смотреться на фоне легких и средних ракет при кластерном запуске необходимо на каждый килограмм полезной нагрузки затратить примерно 40–60 тыс. долл. Ясно, что невозможно создать носитель для единичного наноспутника массой 1 кг с ценником 60 тыс. долл. Сейчас речь идет о разработке средства выведения полезных нагрузок массой от 10 до 200 кг, которое сможет использоваться как для индивидуальных запусков коммерческих МКА, так и для кластерных миссий наноспутников различного назначения.
В России над носителями сверхмалого класса работает ООО «ЛинИндастриал». Компания, созданная в 2014 г., в настоящее время сконцентрировалась на проекте семейства модульных сверхлегких носителей, объединенных общим названием «Таймыр» и способных выводить на низкую околоземную орбиту полезный груз массой от 10 до 150 кг. Их особенности – применение простых жидкостных двигателей с вытеснительной подачей компонентов, работающих на высококонцентрированной перекиси водорода и керосине, а также изготовление топливных баков намоткой из углепластика.
Проектирование ведется при поддержке космического кластера фонда «Сколково». В настоящее время выполнен аванпроект, работы вышли на уровень изготовления «железа» (в частности, готовы два экземпляра демонстрационно-стендового двигателя тягой 100 кгс), и на модельных ракетах ведутся летные испытания прототипа системы управления. Первый пуск «Таймыра» может состояться в районе 2020 г.
Итак, пора делать выводы. Очевидно, что класс легких носителей будет существовать и далее, поскольку обеспечивает решение целевых задач. Подобные ракеты будут развиваться в направлении более широкого охвата полезных нагрузок и, видимо, несколькими типами войдут в парк средств выведения наиболее развитых космических держав. Одни станут близки к существующим носителям среднего класса, стирая четкие границы (пример – Vega, «Союз-2.1в» и «Ангара-1.2»). Их дополнят малые носители типа CZ-6, снижая затраты на запуски микро- и наноспутников. Наконец, в ближайшее время будут созданы сверхмалые «нанолончеры» для выполнения четко очерченных миссий. Скорее всего, своим появлением они будут обязаны частным компаниям.
Печатная версия материала опубликована в журнале "Взлёт" № 6/2016
