Микроракети за голямо пространство: орбитата ще стане територията на частните търговци?

Ракетите, способни да изстрелят няколко килограма или десетки килограми товар в нискоземната орбита, са нова посока в развитието на астронавтиката. Преди това нямаше никакъв смисъл, тъй като сателитите и космическите кораби тежаха стотици килограми или тонове. Единственото нещо, което може да се отдаде на микроракетите, е американската Juno 1 - носителят, доставил в космоса наносателит Explorer 1 с тегло 4 кг през 1958 г. Това изстрелване имаше чисто политически смисъл: след успешния полет на първия съветски спътник, Съединените щати трябваше да докажат, че разполагат и с превозни средства в орбита.

Полезни "кубчета" и земна електроника

През 2000-те години развитието на микроелектрониката отвори възможността за създаване на многофункционални наносателити (от 1 до 10 кг) и микросателити (от 10 до 100 кг). В Съединените щати в Калифорнийския политехнически и Станфордски университети през 1998 г. е разработен нов стандарт за малки космически кораби, CubeSat - сателити със стандартен размер от 10 х 10 х 10 см или 1U (единица). Ако е необходимо, "кубчета" могат да бъдат подредени в 2, 3 или 6: такива опции се наричат 2U, 3U, 6U. Отначало технологията се разви като образователен стандарт за образователни устройства, но няколко години по-късно бяха намерени както научни, така и търговски приложения за CubeSat. Успехът на стандарта се обяснява с възможността за използване на стандартни контейнери за настаняване на няколко сателита наведнъж на ракета. По този начин необходимостта от създаване на устройства за разполагане и разделяне за всеки спътник изчезна.

Отначало стандартът наносателит 10 x 10 x 10 cm е разработен с образователна цел, но в днешно време CubeSat намери сериозна употреба.

В същото време Университетът в Съри във Великобритания мисли да използва по-евтина електроника от индустриален клас в космоса. Surrey Satellite Technology израсна от проекта, който започна да произвежда и пуска компактни сателити за целите на приложението няколко пъти по-малки, по-леки и по-евтини от подобни устройства на други производители. Компанията е създала съзвездието за наблюдение на бедствия от спътници с тегло около 100 кг, улавящо земната повърхност по американския стандарт Landsat с маса 2 тона!

Развитието на CubeSat и успехът на SSTL доведоха до появата на много частни компании за строителство на сателити. Необходимостта от изстрелване на 1-100 килограмови сателити породи нова индустрия - проектирането и изграждането на микроракети. Досега малки сателити бяха изстрелвани с конверсионни балистични ракети по време на съпътстващите изстрелвания на големи ракети, както и от Международната космическа станция, но това състезание не спира романтиците с микроракети.

Предизвикателството да се създаде свръх лека космическа ракета с малък бюджет за развитие и ниска пазарна стойност насърчава създателите да се отдалечат от традиционните дизайнерски схеми и да търсят понякога екзотични решения.

Колкото по-необичайно - толкова по-евтино?

Огромният опит в изграждането на съвременни космически ракети доведе до най-популярните оформления днес. Повечето от съществуващите носители използват течни горива: керосин/кислород, водород/кислород, хептил/амил. За първоначално ускорение често се добавят усилватели на твърдо гориво. Изстрелването се извършва от космодруми на повърхността на Земята. Най-екзотичната серийна ракета днес може да се нарече Пегас: тя използва само твърдо гориво и започва от крилото на самолета, извеждайки до 450 кг в нискоземна орбита.

Ако анализираме различни проекти на малки ракети, изглежда създателите им се опитват да изпробват всички други схеми за ракети и горива, от които производителите на големи ракети са се отказали: въздушно изстрелване от самолети и балони, твърдо гориво и хибридни ракетни двигатели, захранване с изместване и клино-въздушна дюза ...

Ракета "Пегас" Единствената досега космическа ракета, изстреляна с въздух, спряна от самолет Lockheed L-1011, използван като първи етап.

Експериментиране с двигатели

За да поддържат ниските разходи за ракети, много разработчици опростяват дизайна, доколкото е възможно. Например, премахването на подаването на гориво от газови турбини значително намалява натоварванията и повишава надеждността. Но горивото все още трябва да бъде доставено по някакъв начин, така че контейнерите с хелий под високо налягане трябва да бъдат поставени в ракетата. Това е пътят, по който тръгнаха разработчиците на американската ракета Firefly Alpha и руската "Таймир".

Можете напълно да избегнете притесненията за разработването на скъп двигател, като избягвате течно гориво. Тогава цялата ракета ще бъде голям блок експлозив, а на изхода пламъкът ще трябва да бъде насочен само през дюзата. Това опростяване обаче не решава всички проблеми. Изгарянето на твърдо гориво не може да се контролира; възможно е само да се зададат определени режими на горене на различни етапи от полета. Ако нещо се обърка, е почти невъзможно дистанционно да повлияете на работата на двигателя. Тестовете на микроракетата с твърдо гориво SPARK (Super Strypi) в САЩ завършиха неуспешно: ракетата загуби контрол и се срути през втората минута на полета.

Големи и малки Диаграмата показва сравнителните размери на основните ракети носители, използвани в „голямата“ астронавтика, микроракети, разработени в рамките на съвременни проекти, както и известният Jumbo Jet - широкофюзелажен лайнер Boeing 747.

Хибридната схема може частично да реши проблема с управлението на работата на двигателя. Този дизайн използва твърдо гориво и течен окислител; режимите на работа могат да се регулират чрез контролиране на подаването на окислителя. Подобна схема беше предложена от разработчиците на американската ракета Interpid 1, но поради финансови проблеми дори не стигнаха до тестовете на своята електроцентрала.

Разработчиците на ракетата Firefly Alpha решиха да прибегнат до друга теоретично работеща схема, която беше тествана на практика, но така и не намери приложението си. Това трябва да реши проблема с високата аеродинамична ефективност на ракетата. Говорим за така наречения клино-въздушен ракетен двигател. Ефективността на ракетния двигател се влияе не само от неговия дизайн, но и от атмосферното налягане: колкото по-високо е налягането, толкова по-ниска е ефективността. Класическата задвижваща система предполага адаптиране на двигателите от първи етап да работят при условия на високо налягане, а на втория етап - при условия на вакуум. В същото време налягането варира значително в зависимост от височината и на етапа на работа на първия етап трябва да се изразходва допълнително гориво. В клиновиден двигател, използвайки специална конструкция на дюзата, е възможно да се промени налягането на изходящата газова струя, което избягва преразходването и увеличава ефективността с 20% или повече. Дизайнът на въздушния клин също включва използването на множество малки ракетни двигатели вместо един голям ракетен двигател, което може допълнително да намали разходите чрез простота и производство в редица. Изстрелването на ракетата Firefly Alpha ще трябва да изчака няколко години, ако инвеститорите не загубят интерес към проекта, и тогава ще бъде възможно да се проверят на практика всички теоретични изчисления за ефективността на изстрелванията.

Ракетен двигател, турбореактивен двигател, хибрид?

Някои компании търсят нови видове гориво. Като част от проекта за ракета Vector-R е конструиран кислород-пропиленов двигател. Досега разработчиците са успели да тестват само по-малка версия на ракетата и да я изстрелят на височина от един и половина километра.

Проектите за въздушно изстрелване също са донякъде популярни - изстрелване на ракета изпод крилото на самолет. Въпреки факта, че „Пегас“, единствената подобна ракета, е най-скъпа от гледна точка на килограм изваден товар, в тази област се появяват нови идеи. Най-напредналата беше Virgin Galactic, по-известна със своята суборбитална туристическа совалка SpaceShipTwo, която се подготвя да завладее 100 километра в продължение на почти десет години. За комерсиални изстрелвания на сателити на ракетата LauncherOne се преоборудва Boeing 747. Има и няколко проекта на други компании, до използването на бизнес самолети и балони, но те все още не са намерили достатъчна финансова подкрепа.

Печатни ракети

Друг начин за намаляване на разходите и намаляване на цената на ракетата е използването на съвременни технологии. Много от предложените микроракети са направени от композитни материали: Firefly Alpha, Taimyr, Vector-R, Electron. Преди това въглеродните композити бяха широко използвани само за ракети с твърдо гориво, така че съществува известен риск при проектите за ракети с течно гориво: технологията все още не е достатъчно тествана на практика.

Друга популярна тенденция е 3D печатът. Тук разработчиците на Electron са стигнали най-далеч, които активно използват добавъчни технологии при производството на своите двигатели. Тяхната собствена иновация беше използването на електрически помпи за впръскване на гориво. Това решение беше немислимо за дизайнерите от предишни години. Едва когато батериите достигнат необходимия капацитет, а електродвигателите - достатъчна мощност, помпите с електрически задвижвания бяха в търсене. От друга страна, всяка нова технология увеличава риска. Според една от неофициалните хипотези първото изстрелване на Electron е неуспешно поради факта, че изхвърлената изтощена батерия е повредила ракетната дюза на двигателя от втория етап. Все още обаче няма официален доклад и е рано да се правят заключения.

Космически клас печат Бързо развиващите се адитивни технологии, разбира се, не можеха да заобиколят съвременната ракетна техника. Елементите на техните двигатели вече се произвеждат на 3D принтери от създателите на микроракетния проект Electron. Най-напредналата компания в тази област обаче може да се счита за компанията Space X, която работи в макросферата. Компанията представи течен двигател SuperDraco, който е предназначен предимно за аварийно-спасителната система на обещаващата обитаема капсула Dragon 2. Още през 2014 г. беше тестван прототип на тази електроцентрала, отпечатан на 3D принтер от високотемпературна сплав Inconel . Целта е да се спести от механична обработка на детайли и сложен монтаж. Принтерът практически не генерира отпадъци и отпечатва сложни модули с вътрешни кухини като цяло.

Като цяло, поглеждайки назад към опита при проектирането на твърдо гориво, хибридни и други екзотични ракети, можем да приемем, че степента на необичайност на ракетите е обратно пропорционална на интереса на инвеститорите. Колкото по-близо до класическата ликвидна схема, толкова по-големи са перспективите за получаване на финансиране. Въпреки очакваните икономически ползи от опростения дизайн, необичайното гориво или моделите на полетите, бизнесмените не се интересуват от провеждането на експерименти за своя сметка. Затова днес проектите Electron и LauncherOne, които са най-близо до изпълнение, са създадени по класическата схема - течни ракети на кислородно-керосиново гориво с турбо помпа.