Ракеты-носители сверхлегкого класса: ниша на рынке пусковых услуг и перспективные проекты

Введение

Существующие классификации ракет-носителей (РН) по энергетическим возможностям достаточно условны, и вплоть до последнего времени такой класс, как сверхлегкая РН, или микроРН, в нормативных документах и в специальной литературе отсутствовал. Сейчас к сверхлегким (микроРН) одни авторы относят ракеты, способные вывести на низкую околоземную орбиту (НОО) полезную нагрузку массой до 500 кг , другие – до 300 кг и даже до 100 кг .

В соответствии с приведенной выше классификацией формально сверхлегкие РН были созданы еще в начале космической эры (табл. 1)

Таблица 1. Основные характеристики первых РН сверхлегкого класса [3, 4]

Примечание: До запуска японской сверхлегкой ракеты-носителя SS-520-5, созданной на базе метеорологической ракеты, РН «Лямбда-4S» была самой легкой в истории из всех космических РН, достигших орбиты.

Однако малая масса сверхлегких РН на заре космонавтики была обусловлена техническими и технологическими ограничениями и примитивностью запускаемых космических аппаратов (КА). В дальнейшем развитие производства малоразмерных спутников (малых космических аппаратов) длительное время не сопровождалось снижением грузоподъемности и размеров РН. Сейчас же снижение массы и габаритов КА и РН – целенаправленная техническая политика, ориентированная, в конечном счете, на снижение стоимости и повышение доступности космических услуг для массового потребителя.

В настоящее время принятых в эксплуатацию носителей сверхлегкого класса не существует. Наиболее близким к ним по требуемым характеристикам является воздушно-космический комплекс легкого класса на базе крылатой ракеты Pegasus XL (табл. 2). Но он очень дорог (удельная стоимость выведения 1 кг полезного груза на низкую околоземную орбиту достигает 90 тыс. долл.) и переразмерен для выведения микро- и наноспутников (масса полезного груза – 443 кг).

Таблица 2. Основные характеристики РН Pegasus-XL [3, 13]

Существуют общие закономерности изменения технико-экономических показателей РН по мере уменьшения начальной стартовой массы и массы полезного груза, выводимого на орбиту: стоимость пуска уменьшается, а удельная цена выведения на орбиту 1 кг полезного груза увеличивается (рис. 1). Последняя закономерность связана с ухудшением энергомассового совершенства легких РН. Естественно, такое ухудшение разработчики современных сверхлегких РН стремятся компенсировать использованием современных технологий.

Рис. 1. Удельные экономические показатели сверхлегких РН

Цель данной статьи заключается в выявлении и анализе перспективных технологий - проектно-конструкторских решений, определяющих облик перспективных сверхлегких РН, которые позволили бы максимально улучшить прежде всего удельные экономические показатели РН сверхлегкого класса.

1. Место сверхлегких ракет-носителей на рынке пусковых услуг

Согласно , стоимость полета в космос за последние полвека существенно не изменилась, что привело к некоторому замедлению темпов развития рынка космических услуг и в целом не оправдало ожиданий от результатов исследования и освоения космоса, характерных для начала космической эры.

Дальнейшее развитие космической техники связано с радикальным снижением стоимости космических услуг, повышением их доступности и расширением номенклатуры. Эта цель может быть достигнута с помощью микроминиатюризации элементной базы, бортовой аппаратуры и изделий ракетно-космической техники в целом, развертывания многоспутниковых группировок малоразмерных космических аппаратов (МКА) инфокоммуникационного назначения. Количество МКА уже в ближайшие 5-10 лет достигнет нескольких сотен и, возможно, тысяч. Наиболее высоких темпов роста ожидают от запусков космических аппаратов массой до 50 кг, относящихся по принятой классификации к нано- и микроКА (рис. 2).

Рис. 2. Статистика запусков и прогноз рынка нано / микроспутников (1-50 кг) по состоянию на 2018 год

Необходимо также принимать во внимание планы развертывания многоспутниковых группировок, прежде всего низкоорбитальных космических систем широкополосной связи, которые в ближайшие 10 лет могут насчитывать более 16 000 малых космических аппаратов класса мини, массой до 300-400 кг (рис. 3). Причем требуемые диапазоны высот и наклонений орбит – существенно шире используемых в настоящее время для запусков тяжелых КА.

Рис. 3. Прогноз количества спутников в многоспутниковых группировках

Если для развертывания многоспутниковых орбитальных группировок могут быть использованы существующие ракеты-носители легкого и среднего классов, то для наращивания и поддержания будут необходимы сверхлегкие РН, рассчитанные на выведение на низкую околоземную орбиту полезной нагрузки массой от единиц килограммов до 200-300 килограммов. К таким носителям будут предъявляться требования минимальной стоимости и высокой оперативности пуска, простоты подготовки к пуску и надежности, широкого диапазона высот и наклонений целевых орбит.

Так уже сейчас для восполнения состава системы глобальной широкополосной связи OneWeb планируется использовать сверхлегкую РН Launcher One (Virgin Galactic, США), а компания Planet (США) планирует осуществить замену отказавших спутников типа Flock (кубсат формфактора 3U) системы дистанционного зондирования Земли при помощи сверхлегкой РН Electron (Rocket Labs, США) и т.д.

Таким образом, место сверхлегких РН на рынке пусковых услуг определяется:

1. Возможностью более частых запусков, не привязанных к пускам тяжелых РН.

2. Широким спектром требований к высотам и наклонениям целевых орбит малоразмерных космических аппаратов, которые невозможно удовлетворить при попутном выведении.

3. Перспективами использования сверхлегких РН для решения задачи восполнения многоспутниковых группировок.

Однако, несмотря на то, что в настоящее время реализуется множество программ создания сверхлегких РН, получающих как государственное, так и частное финансирование, отсутствует устойчивая бизнес-модель для рынка сверхлегких РН, и это может помешать его развитию. Среди потенциальных препятствий на пути успеха рынка запусков малых КА при помощи сверхлегких РН называют технологические проблемы, чрезмерно оптимистичные прогнозы спроса и возможность альтернативных решений, таких как доставка нескольких небольших спутников на более тяжелых ракетах-носителях с использованием специализированных пусковых устройств (диспенсеров) . Существует и обратное влияние практических успехов в развитии сверхлегких РН на динамику рынка малых КА: не исключено, что существенное улучшение удельных экономических показателей сверхлегких РН (снижение стоимости выведения на орбиту 1 кг полезного груза) стимулирует развитие рынка малых КА и орбитальных группировок на их основе.

2. Перспективные проекты сверхлегких носителей: поиск оптимального облика

Несмотря на ряд описанных выше сложностей, в настоящее время в мире создается несколько десятков сверхлегких РН, рассчитанных на выведение на низкую околоземную орбиту грузов до 300 кг (табл. 3). Летные испытания многих из них намечены на 2019-2020 годы.

Перспективные проекты сверхлегких РН отличает разнообразие реализуемых технологических решений, включая способ запуска, тип двигательной установки и топлива, технологии изготовления основных элементов и др.

В отличие от России, в западных странах (а в последнее время и в Китае) многие технологические решения при создании сверхлегких РН могут быть достаточно быстро и эффективно проверены экспериментально. Это достигается системой стартапов - сравнительно небольшим финансированием частных фирм - по их собственной инициативе или в результате победы в конкурсе, объявленном, например, агентством DARPA или NASA (США). Конечно, в этих случаях могут иметь место различные коллизии, но цель, на наш взгляд, достигается: предлагаются и проверяются на практике самые нетрадиционные технологические решения.

Таблица 3. Основные характеристики некоторых перспективных сверхмалых ракет-носителей [11, 12, 13]