Что связывает бокс и космические ракеты? В обеих сферах спортсмены и ракеты малого класса вызывают не меньший интерес, чем их более крупные аналоги. Сверхлегкие ракеты-носители обладают уникальными преимуществами и ведут ожесточенную борьбу за успех и позицию в космосе. Какие решения сегодня определяют победу при запуске малых спутников, какие направления развития характерны для сверхлегкого класса, кто является лидерами — об этом рассказывает сегодняшний выпуск Naked Science. И немного о баллистике.
Сверхлегкий носитель и его полезная нагрузка
Ракетами-носителями выводят все космические аппараты на орбиту. Эти крупные технические устройства предназначены для разгона полезной нагрузки до требуемой орбитальной скорости. Они формируют вектор скорости с заданными параметрами: величиной, направлением в пространстве, высотой, географической точкой и временем. Параметры полученного движения соответствуют заданным значениям. Точность выведения может оказывать влияние на эффективность работы космического аппарата, примеры которой будут рассмотрены ниже.
У ракет-носителей существует множество параметров, но ключевым является масса полезной нагрузки. Она определяет максимальный вес груза, который ракета может доставить на низкую околоземную орбиту (на высоте около 200 километров) с наклонением в пределах первых десятков градусов, либо максимальный вес полезной нагрузки при запуске с самой южной стартовой площадки. Расход топлива на вывод аппарата на орбиту зависит от её высоты и наклонения. В некоторых случаях для экономии топлива приходится уменьшать массу выводимого груза. Поэтому для различных высот или характерных орбит (например, для полярных или геостационарных) указываются разные значения полезной нагрузки. Диапазон масс полезных нагрузок чрезвычайно широк, и значения на его границах могут отличаться примерно в 600 000 раз.
Любовь к систематизации распространилась и на область грузоподъемности ракет-носителей. Сверхтяжелые носители способны выводить на орбиту самые большие грузы, превышающие 100 тонн. Ракеты-носители с полезной нагрузкой в сотни и десятки килограммов (а иногда и меньше) находятся на другом полюсе этого диапазона. Легкие ракеты-носители отделяются от более тяжелых классов условной границей в 500 кг массы груза. Но полезный груз может весить и всего несколько килограммов. Неужели существуют ракеты-носители столь малого размера? Да, и их называют «сверхлегкими».
Сверхлегкие ракеты-носители относятся к самой легкой категории по грузоподъемности
Фактически, не существует официального, общепринятого документа или решения, выданного компетентной международной организации, который бы четко устанавливал максимальный вес полезной нагрузки для сверхлегкой ракеты-носителя. Это скорее соглашение, подобное делению самолетов, подводных лодок, двигателей и другой техники на современные поколения – эти так называемые категории получили широкое распространение благодаря журналистам и писателям.
К сверхлегким носителям не следует причислять крупные, многотонные межконтинентальные боевые ракеты, переоборудованные для выведения на орбиту. Хотя они и соответствуют формальным критериям – их полезная нагрузка невелика – они разрабатывались для иных, нерыночных целей и не отражают современное направление развития сверхлегких носителей.
Встречаются различные данные о максимальной полезной нагрузке для сверхлегких ракет-носителей – от 250 кг до 100 кг и другие значения. Мы не будем здесь устанавливать точное значение максимальной массы груза и подробно объяснять причины нашего выбора. Ориентировочным показателем считаем диапазон 50–250 кг. Вопрос о том, много это или мало, не требует ответа. Даже небольшие нагрузки могут выполнять множество значимых задач.
Современные технологии открывают возможности для работы с компактными устройствами, что позволяет снизить массу спутников. Гироскопы и акселерометры сейчас устанавливаются практически в каждом мобильном телефоне. В этих же телефонах имеются оптические камеры и устройства для передачи данных. Добавьте систему ориентации в пространстве, терморегуляцию и источник энергии — и у вас получится платформа для миниатюрного космического аппарата. Неудивительно, что в последние десять лет получили широкое распространение кубсаты (Cube Satellite) — спутники, имеющие кубическую форму с длиной ребра 10 сантиметров.
С целью упрощения разработки и эксплуатации подобных спутников были разработаны стандарты, например, ограничение массы до 1⅓ кг. Одна кубическая единица имеет обозначение 1U — единица измерения. Кубсаты могут быть объединены в группы, состоящие из двух, трех и большего числа спутников, образуя модульные конструкции, которые маркируются от 2U до 16U.
Даже кубсаты не являются окончательной точкой в миниатюризации. Недавно был представлен еще более компактный стандарт спутников – так называемые покеткубы, которые можно назвать «карманными» аппаратами-кубиками. Их длина ребра составляет всего 5 сантиметров, а масса не превышает 250 граммов. Запуск такого микроспутника обходится всего в несколько тысяч долларов. Покеткубы, опираясь на конструктивные решения, используемые в кубсатах, продолжают снижать стоимость доступа к космическим технологиям для широкого круга пользователей.
Небольшие космические аппараты могут иметь значительный вес, но при этом все еще классифицируются как малые, например, аппараты массой в несколько десятков килограммов. По размеру они сопоставимы с бытовой техникой, такой как микроволновая печь или холодильник, используемые в космосе. Их оборудование и задачи, выполняемые во время полета, сильно различаются. Они могут использоваться для съемки земных объектов в разных спектральных диапазонах, реализации образовательных проектов университетов, развития систем связи, решения технологических задач, таких как калибровка наземных систем наблюдения за околоземным космическим пространством, и выполнения других задач.
Оценивать эффективность можно по результатам работы, или Орбита и ее результативность
«Чтобы постичь всю прелесть Лейлы, необходимо взглянуть на нее глазами Меджнуна, как утверждал Фирдоуси. Для того чтобы ощутить потенциал сверхлегких ракет-носителей, совершим небольшое путешествие в область орбитальной баллистики. После этого вернемся к рассмотрению ракет, обладая пониманием их возможностей, основанным на принципах баллистики.
На работу спутника влияет не только его техническое оснащение, но и траектория его движения в космическом пространстве
Определенные геометрические характеристики орбиты определяют особенности ее движения: скорость, период обращения, особенности прецессии (постепенного поворота плоскости орбиты в пространстве), траектория полета над поверхностью Земли и другие важные параметры.
Оптимальная высота и угол съемки местности и объектов на ней зависят от необходимой детализации и ширины обзора. Съемка с низкой высоты позволяет рассмотреть больше деталей, поскольку расстояние играет важную роль в восприятии. Однако увеличение высоты позволяет охватить большую площадь. Но и здесь существует предел – по мере роста высоты края обзора начинают теряться в атмосферной дымке, из-за чего детализация снижается. Таким образом, необходимо найти наилучшее соотношение между шириной обзора и детализацией, учитывая характеристики спутника, его оборудования и цели съемки. Этот выбор определит оптимальную высоту полета.
В каком географическом районе планируется проведение съемки? Запуск небольшого спутника может быть целесообразен для наблюдения за конкретной территорией. Чем меньше спутник и дешевле его вывод в космос, тем более доступным становится такое решение для определенного региона. Это может быть акватория конкретного моря – для мониторинга рыбных запасов, метеорологических условий, ледяного покрова или судоходства. Или, например, требуется наблюдение за состоянием сельскохозяйственных угодий в определенной области. Оперативное нанесение на карту региональных пожаров. Контроль за состоянием горных районов. Да и вообще, важных региональных задач может быть множество!
Для достижения необходимой точности траектории, полет спутника должен быть спланирован таким образом, чтобы после прохождения экватора он поднимался (или опускался в южном полушарии) до требуемой географической области. Спутник должен достигать той широты, на которой расположен целевой район, включая его крайние северные (или южные) границы. Это определяет угол наклона плоскости орбиты спутника, который должен быть не меньше географической широты района. В противном случае, спутник не сможет достичь указанной широты и не пролетит над целью. Угол наклона орбиты может быть и больше широты района съемки, что приведет к тому, что спутник будет проходить над ним под углом, поднимаясь к полярной зоне или опускаясь от нее.
Помимо обеспечения необходимой широты, спутник не должен отклоняться значительно к западу или к востоку от целевого района. В противном случае, район будет виден спутнику лишь как узкая полоса на горизонте или не будет виден совсем. С какой периодичностью спутник будет находиться вблизи района и в какой именно точке? Траектория полета, представляющая собой линию, образованную точками под спутником на поверхности Земли, редко совпадает с одним и тем же местом на Земле. Вращение Земли вызывает два смещения траектории при каждом обороте спутника.
Сначала следует отметить, что за один оборот спутника Земля незначительно смещается на восток. Планета поворачивается на 15 градусов в час. Низкоорбитальный спутник, находящийся на высоте 320 км, совершает оборот примерно за полтора часа, в течение которых Земля успевает повернуться на 22,5 градуса. В результате, при повторном прохождении над теми же широтами спутник окажется западнее своей предыдущей траектории. Для экватора это смещение составит 2505 км — довольно заметное изменение. В районе Краснодара смещение спутника за оборот составит 1774 км: между последовательными прохождениями поместится почти пять Кубаней или полтора Черных моря. Для Москвы смещение низкоорбитального спутника за оборот составит 1413 км. Таким образом, необходимо определить, сколько раз в сутки спутник будет пролетать над нужным районом или вблизи него. Эта задача решается путем оптимизации рабочей орбиты спутника, которая и будет определять траекторию сверхлегкой ракеты-носителя.
Солнечно-синхронная — очень популярная орбита
Вторично, вращение Земли вызывает ее растяжение в области экватора, подобно тому, как растягивается резиновый мяч. В результате экваториальный радиус Земли превышает полярный на 21 километр, что проявляется в форме сплюснутости. Вдоль экватора проходит так называемый «экваториальный горб», опоясывающий планету. При пересечении орбитальной плоскости спутника и экватора под углом, «экваториальный горб» Земли начинает приближаться к аппарату с одной стороны раньше, чем с другой, и с этой стороны расстояние до спутника оказывается меньше.
Гравитация массивной области, напоминающей «экваториальный горб», притягивает спутник, отводя его в сторону от траектории и тем самым смещая точку пересечения с экватором. Сразу после прохождения экватора спутник оказывается рядом с другой частью этого «горба», которая теперь находится ближе. Он испытывает такое же боковое притяжение, поскольку «горб» обладает одинаковой плотностью. Другая часть «горба» отклонит траекторию в противоположную сторону и вернет полет спутника к исходному направлению. Однако точка пересечения с экватором окажется смещенной.
Через полвитка это явление повторится на противоположной стороне Земли — там точка пересечения экватора сдвинется на такое же расстояние в километрах (поскольку орбита имеет форму круга и располагается на одинаковой высоте). Следовательно, обе точки пересечения экватора сместились за один оборот спутника на одинаковое расстояние в одном направлении. Это указывает на то, что плоскость орбиты немного изменила свое ориентацию в пространстве и повернулась независимо от вращения Земли, что привело к изменению ее положения относительно звезд. Такое постепенное изменение ориентации плоскости орбиты в пространстве при каждом обороте спутника называется прецессией плоскости орбиты, или просто прецессией.
Если бы Земля имела форму идеального шара, прецессии не наблюдалось бы. Однако, из-за сплюснутости полюсов, орбита прецессирует, то есть постепенно поворачивается в пространстве. На скорость прецессии влияет высота полета и угол наклона орбиты относительно экватора. Вращение Земли и прецессия орбиты в совокупности приводят к смещению траектории полета по поверхности Земли за один оборот.
Прецессия представляет собой значительный фактор. К примеру, регулируя скорость прецессии, можно обеспечить полный поворот орбитальной плоскости в пространстве всего за год. В этом случае, двигаясь по орбите вокруг Солнца вместе с Землей в течение года, орбитальная плоскость совершает один годовой оборот в пространстве. Благодаря этой согласованности, орбитальная плоскость сохраняет постоянный угол к Солнцу в течение всего года, например, всегда оставаясь перпендикулярной направлению на Солнце. Поскольку полный оборот прецессии орбиты занимает ровно год и точно соответствует одному обороту Земли вокруг Солнца, происходя синхронно с ним, такая орбита называется солнечно-синхронной.
Спутник, расположенный на низкой орбите, не попадает в тень Земли и постоянно находится под солнечным светом. Это позволяет ему непрерывно генерировать электроэнергию с помощью солнечных батарей и функционировать круглосуточно, исключая необходимость в аккумуляторах, которые занимали бы место и увеличивали массу аппарата. Под ним, на поверхности Земли, всегда проходит граница дня и ночи – линия терминатора. В каждой точке одной половины орбиты под спутником будет местный восход Солнца, а на другой половине витка – закат. Таким образом, в любой выбранной подспутниковой точке всегда будет фиксированное местное солнечное время, соответствующее либо восходу, либо заходу Солнца.
При любой ориентации плоскости орбиты к Солнцу, сопровождающейся подобной прецессией, эта ориентация практически не изменится (небольшое отклонение будет циклическим и вызвано незначительной эксцентриситетом земной орбиты). В каждой точке подспутникового пространства местное солнечное время будет постоянным и определяться исключительно положением спутника. На широте 30 градусов это время останется неизменным. На широте 50 градусов оно изменится, но также будет оставаться постоянным для данной точки. Это справедливо для всех подспутниковых точек.
Местное солнечное время — это время, которое определяется положением Солнца относительно наблюдателя, находящегося в конкретной точке на поверхности Земли
Солнечное время определяется положением солнца и углом его возвышения над горизонтом. Постоянное солнечное время будет соответствовать неизменной длине тени, отбрасываемой любым объектом. Изменение длины тени указывает только на изменение высоты объекта. Исчезновение или появление тени свидетельствует об исчезновении или возникновении объекта. Такие изменения в общей, статичной картине теней в определенной местности позволяют легко выявлять и находить изменения поверхностных объектов в наблюдаемой подспутниковой зоне.
Солнечно-синхронные орбиты представляют собой обширную группу, простирающуюся от 250–300 километров (дальнейшее снижение затруднено из-за влияния атмосферы) до 1000 километров, при этом наиболее распространенные высоты находятся в пределах 500–700 км. Наклон орбиты, обеспечивающий солнечно-синхронность для данной высоты, зависит от ее значения. Этот наклон всегда превышает 90 градусов, что необходимо для точного прохождения над полюсом, например, составляет 96 или 98 градусов. Такие орбиты имеют наклон в сторону полюса к западу (в северном полушарии Земли), что приводит к движению спутников в направлении, противоположном вращению планеты. Определение оптимальной высоты и ее связь с требуемым наклонением – ключевой аспект при выборе конкретной солнечно-синхронной орбиты, обеспечивающей точное выполнение поставленной задачи спутника.
Для того чтобы траектория полета ракеты была направлена западнее полярной области, а не восточнее, необходимо полностью нивелировать восточную составляющую скорости, обусловленную вращением Земли в точке старта. Кроме того, требуется дополнительное ускорение в западном направлении, против направления вращения Земли. Это приводит к увеличению расхода топлива по сравнению с запусками на орбиты с обычными наклонениями. В результате, масса груза, выводимого на солнечно-синхронные орбиты, всегда меньше. Полезная нагрузка ракеты для этих орбит уменьшается приблизительно с 250 до 150 кг при выводе на высоту 500 км, и до 100 кг для высоты 700 км.
Орбиты, вращение которых синхронизировано с оборотом магнитного поля Земли, называются магнитосинхронными. Они предоставляют возможность проведения длительных исследований в пределах одной силовой трубки магнитного поля Земли. Для этого требуется точная баллистическая расчет, обеспечивающий продолжительное движение аппарата вдоль трубки (линии) магнитного поля без отклонения от нее. Магнитное поле нашей планеты кажется простым на первый взгляд, но обладает сложностью в деталях. Необходимо запустить спутник, принимая во внимание эти особенности, с такой точностью, чтобы его траектория баллистически гарантировала решение поставленной исследовательской задачи.
Возможно создание синхронных орбит иного типа, например, совпадающих по времени одного оборота с суточным вращением Земли. Эти орбиты, известные как суточно-синхронные или просто суточные, не должны быть круговыми. Их можно сделать сильно вытянутыми, эллиптическими, с большой высотой апогея. Находясь на такой орбите, спутник в течение одного оборота будет перемещаться в пределах небольшого района на экваторе, а его траектория будет формировать в этом районе фигуру, напоминающую восьмерку или асимметричную каплю, но всегда оставаясь в пределах этого региона. Например, вся траектория спутника может находиться в пределах территории Эквадора. При этом спутник будет лишь перемещаться от одного края эквадорской границы к другому, не пересекая ее. Это может быть интересно Эквадору с точки зрения обеспечения непрерывного обзора его территории. И выбранная баллистика конкретной суточной орбиты обеспечит такой режим обзора.
Почему сверхлегкая ракета, а не обычная?
Орбиты заслуживают отдельного внимания, ведь их количество огромно и они подразделяются на множество категорий и классификаций, значительно превышающих те, которые мы рассмотрели. Орбитальная баллистика находит широкое практическое применение, позволяя решать разнообразные задачи: от гравиметрических и погодных до задач, связанных с биоресурсами, пожарами, военными операциями, ликвидацией чрезвычайных ситуаций, коммуникациями различных видов и диапазонов, а также исследовательскими и технологическими. Для решения каждой из этих задач требуется специфическая, оптимально настроенная орбита.
Вернемся к нашим крошечным космическим аппаратам. Использование мощной ракеты и ее дорогостоящий запуск для них нецелесообразны. Поэтому эти небольшие устройства отправляют в космос одновременно с основной полезной нагрузкой, используя большие ракеты. Разумно пристыковать к баллистической траектории крупного груза и небольшие спутники — мощный Боливар сможет доставить и троих, и десятерых, если эти десять — лишь крохи. Однако Боливар сформирует траекторию полета для основной полезной нагрузки, ориентируясь на ее потребности — ведь именно для нее он и отправляется в полет. А маленькие попутчики последуют по этой же траектории, получив импульс вместе с основной нагрузкой.
Насколько параметры орбиты основного аппарата будут совместимы с задачами малой полезной нагрузки? Вопрос не требует ответа — если задача не актуальна, запуск не состоится. Можно ждать, пока станет доступен пуск крупногабаритного груза, баллистические характеристики которого соответствуют полетной задаче небольшого аппарата. Ожидание такого пуска может занять несколько лет, или вовсе не привести к результату. Малым аппаратам приходится адаптироваться к запланированным запускам более крупных аппаратов, корректируя свои цели и изменяя полетные задания, что может повлечь за собой снижение их эффективности. В противном случае, ожидание может затянуться, и проект не будет реализован.
Небольшая ракета с низкой стоимостью запуска могла бы оказать существенную помощь для вывода небольшого груза, одиночного или группового, на требуемую орбиту. Это позволило бы избежать длительного ожидания возможности запуска. Действительно, текущие условия или цель запуска малых спутников могут измениться, и задача потеряет свою актуальность. Заказчикам зачастую необходимо решить полетную задачу в течение ближайших трех месяцев, в то время как уже в следующем году она может потерять для них значение.
Отдельный и экономичный вывод носителя на орбиту был бы крайне полезен для малых космических аппаратов, что значительно увеличило бы их применение, а вместе с ним — разработки и производство. Обеспечение доступности таких запусков также приведет к значительному увеличению использования космического пространства и получаемых от него данных.
Сверхмалые ракеты-носители обладают рядом существенных эксплуатационных преимуществ, обусловленных их небольшими габаритами и массой. Обычно их длина составляет 10–20 метров, диаметр – около метра, а стартовая масса находится в диапазоне около десяти тонн. Для эксплуатации такой ракеты-носителя требуется относительно небольшая стартовая площадка, компактные здания для сборки и проверки, а также заправочная инфраструктура. Транспортировка такой ракеты также не представляет сложности. Уменьшенные масса и размеры конструкции приводят к снижению материалоемкости и сокращению времени, необходимого для изготовления экземпляра ракеты, а также к уменьшению производственных затрат.
У сверхлегких ракет есть существенный недостаток. Уменьшение размеров приводит к ухудшению конструктивных характеристик ракеты, что противоречит тому, что увеличение размеров, наоборот, является преимуществом. Кроме того, уменьшение двигателей ведет к увеличению потерь энергии в процессе газодинамических процессов. Сокращение размеров ракеты снизит ее общую эффективность и, как следствие, увеличит стоимость вывода килограмма полезной нагрузки на орбиту. Это не соответствует цели обеспечения доступности запусков сверхлегких ракет.
Это противоречие разрешится только благодаря поиску инновационных конструктивных и технологических решений. Именно они сейчас являются основой для разработки эффективных сверхлегких ракет-носителей, которые сделают космос доступным для малых спутников и небольших организаций, а также для частных лиц. По этому пути движутся все разработчики сверхлегких космических ракет.
Поиск конструкционных козырей
Использование топливных баков из композитных материалов, основанных на углеродных нитях, вместо металла – одно из возможных решений. Такие композитные стенки, создаваемые намоткой высокопрочных нитей, уже применяются в твердотопливных двигателях. Однако, внедрение этих баков для керосина и жидкого кислорода стало возможным благодаря сверхлегкой ракете-носителе Electron компании Rocket Lab. Это позволило снизить вес баков по сравнению с металлическими и улучшить общую конструкцию ракеты.
В ней также применена другая инновация: топливо в небольшие двигатели Rutherford закачивается не с помощью турбонасосного агрегата. Из-за ограниченных размеров последний стал бы слишком сложным и неэффективным с точки зрения газодинамики. Вместо этого топливные компоненты подаются насосами с электрическим приводом, которые питаются от литий-полимерных аккумуляторных батарей. Они используются поочередно, с последующим сбросом разряженных батарей в полете. Использование электронасосных агрегатов позволило упростить конструкцию двигателя и повысить точность управления соотношением сжигаемых компонентов, а также уменьшить его размеры. В настоящее время электронасосы применяются и в двигателях Delphin ракеты Rocket 3 компании Astra, и в других сверхлегких ракетах, что делает это передовое решение все более распространенным.
использование 3D-печати для изготовления ключевых компонентов двигателя позволило упростить и ускорить процесс его производства. Производство одного двигателя Rutherford занимает всего сутки. Сегодня применение 3D-печати становится общепринятой практикой при изготовлении двигателей для сверхлегких ракет-носителей, а технология, которая еще недавно считалась прорывом, становится рутинной.
Все чаще применяется и принцип многоразового использования, в первую очередь, первой ступени – самой крупной и дорогостоящей, где расположены основные двигатели. Ракета Electron в настоящее время эксплуатируется в одноразовой конфигурации, которая поэтапно переходит к многоразовой. Уже осуществляются приводнения отработанной ступени в океан с использованием управляемого парашюта. В перспективе планируется захватывать ступень в воздухе вертолетом на этапе парашютного спуска и доставлять ее на базу, исключая при этом непосредственную посадку ступени.
Существует и альтернативный подход: разработать ракету, которая после запуска полностью исчезнет. Например, компания Astra из Калифорнии изготавливает свою ракету Rocket из алюминия, который по толщине сопоставим с фольгой. Основное внимание уделяется максимально полному сгоранию отработанной ступени в атмосфере. Небольшие остатки, которые не сгорели, будут полностью растворяться в соленой воде океана.
Осваиваются и нетрадиционные конструкции двигателей. Например, компания Firefly Aerospace разрабатывала ракету Firefly Alpha, оснащенную клиновоздушным ракетным двигателем на первой ступени. Этот двигатель обеспечивает поддержание оптимального режима расширения выходящих газов на протяжении всего диапазона высот, характерного для работы первой ступени — от момента старта с поверхности Земли до выключения в верхней стратосфере. В нем отсутствуют режимы стартового перерасширения и высотного недорасширения, поскольку степень расширения автоматически корректируется в зависимости от текущего атмосферного давления. Несмотря на то, что после смены собственника компания отказалась от этой инновационной ступени, заменив двигатель на стандартный кислородно-керосиновый ракетный двигатель, изучение подобных нестандартных решений демонстрирует стремление к поиску эффективных конструкций для сверхлегких ракет.
Высотную исследовательскую ракету можно переоборудовать в сверхлегкий носитель, добавив высотную ступень и разработав новую схему полета, а также систему управления. Ярким примером является японская твердотопливная сверхлегкая ракета-носитель SS-520-4. Несмотря на стартовую массу, не превышающую двух с половиной тонн, 3 февраля 2018 года ей удалось вывести на орбиту трехкилограммовый кубсат TRICOM-1R. В настоящее время она считается самой легкой из действующих ракет-носителей.
Также возможна эксплуатация твердотопливных двигателей, ранее использовавшихся в ступенях баллистических ракет средней дальности, подобно тому, как это реализовано в конструкции китайской ракеты «Куайчжоу-1A» (KZ-1A) компании China Aerospace Science and Industry Corporation (CASIC). В ракете применено три твердотопливные ступени и одна жидкостная. Два твердотопливных двигателя заимствованы из баллистической ракеты средней дальности «Дунфэн-21». Запуск осуществляется с автомобильного шасси, что облегчает транспортировку и подготовку к старту.
Китайская ракета «Цзелун-1» компании China Rocket (подразделения CASIC) также использует мобильную установку при запуске. Эта ракета, как и другие, представляет собой четырехступенчатый твердотопливный носитель. Особенность конструкции – расположение полезной нагрузки между третьей и четвертой ступенями. Четвертая ступень, находясь в перевернутом состоянии, после отделения от третьей ступени совершает разворот на 180 градусов перед включением двигателя.
Воздушный запуск с использованием сброса ракеты с самолета-носителя уже давно применяется для легких твердотопливных крылатых ракет-носителей, таких как Pegasus. Однако, поскольку ракета, находящаяся в эксплуатации на протяжении 30 лет, была разработана с использованием технологий того времени (хотя и новаторских для своего времени), выведение на орбиту даже одного килограмма полезной нагрузки остается самым дорогостоящим на сегодняшний день. Воздушный запуск также использует новая сверхлегкая ракета-носитель LauncherOne компании Virgin Orbit. Эта полностью жидкостная ракета успешно вывела на орбиту в январе 2021 года 10 кубсатов, в июне прошлого года 7 спутников и 13 января этого года тоже 7 спутников. Рассматриваются и пуски ракет со стратосферных аэростатов, но до летных испытаний такие проекты пока не дошли.
Возможности сверхлегких ракет расширяются за счет использования специализированных космических ступеней. Эти ступени способны выводить полезную нагрузку на высокие эллиптические орбиты, направлять ее на гиперболические траектории для межпланетных миссий или разделять несколько спутников на различные орбиты. Компания Rocket Lab, ранее упомянутая в нашем обзоре, разработала для своей ракеты Electron космическую ступень Photon. Она обеспечивает формирование требуемой орбиты для полезной нагрузки, поддерживает связь с ней, принимает телеметрические данные и передает их на Землю, а также выполняет иные функции. «Фотон» выпускается в двух версиях: для работы на солнечно-синхронной орбите высотой 550 км и межпланетной, способной вывести до 40 кг полезной нагрузки на гиперболическую траекторию покидания Земли. Об этом мы уже писали в нашем материале «Разгонный блок: назначение и принцип действия «. Китайская ракета-носитель «Куайчжоу-1A» способна с помощью своей верхней ступени выводить космические аппараты на до шести различных орбит в ходе одного запуска.
Это лишь некоторые из множества областей, где в настоящее время ведется поиск инновационных конструктивных и технологических решений для создания экономичных и сверхлегких ракет-носителей. Рассматриваются и новые баллистические подходы, такие как вывод сверхлегкой ракеты на сверхзвуковой скорости с тяжелого сверхзвукового самолета или гиперзвукового носителя. Также изучается возможность использования аэродинамической подъемной силы с помощью новых крылатых космических носителей для выведения аппаратов на орбиту. Помимо этого, возможно снижение гравитационных потерь за счет запусков с высокой перегрузкой, оптимизация распределения тяги и времени работы ступеней ракеты, а также разработка решений для повышения точности выведения и других аспектов баллистики. Запуски малых аппаратов по гиперболическим траекториям, которые вскоре станут доступны сверхлегким носителям, откроют широкие возможности для малого бизнеса в космической отрасли.
Перспективы сверхлегких носителей
В последние годы наблюдается активное появление и прекращение деятельности стартапов, разрабатывающих сверхлегкие ракеты-носители. Создание космической ракеты, даже самой легкой, представляет собой сложную задачу. В результате, многие проекты не достигают стадии летных испытаний. Перечисление неудачных ракет и закрытых проектов заняло бы немало места, однако нет необходимости называть выбывшие разработки. Среди действующих проектов есть те, которые еще не приступили к летным испытаниям или не завершили их успешным выведением на орбиту. К ним относятся российская ракета «Таймыр», южнокорейская Blue Whale 1, британские Prime и Skyrora XL, индийская Vikram I, бразильская VLM, японская ZERO, филиппинская Haribon SLS-1 и многие другие. Оценить вероятность успеха нового претендента на рынке космических запусков и перспективы его ракеты столь же затруднительно, как предсказать точную форму облаков над Плесецком в полдень следующего вторника.
На текущий момент количество используемых сверхлегких носителей остается ограниченным. Наиболее популярным является Electron, осуществивший 20 успешных запусков за последние четыре года (и запланированы еще три-четыре запуска в этом году). «Куайчжоу-1A» также демонстрирует успех, приближая число успешных пусков к полутора десяткам. Другие носители пока использовали для единичных запусков, однако уже ведется подготовка к новым запускам.
Традиционное оценивание объемов мирового рынка запусков сверхлегких носителей нецелесообразно. Его показатели постоянно меняются, формируя типичную взаимосвязь развития: спрос на запуски стимулирует разработку ракет, а появление ракет создает предложение на рынке запусков. Реальный рост этого рынка будет определяться тем, насколько успешными окажутся усилия ракетчиков по повышению эффективности своих конструкций и технологических процессов.
По мере увеличения опыта использования сверхлегких носителей, число новых разработчиков будет увеличиваться, поскольку их мотивируют успехи других. Привлечь относительно небольшие инвестиции, необходимые для запуска проектов сверхлегких ракет, значительно легче и в большем объеме, чем финансировать средние и тяжелые носители. Поэтому в ближайшие десять лет стоит ожидать активизации желающих и начала гонки разработок сверхлегких ракет. Эта тенденция во многом напоминает развитие малой авиации, которая стала массовой и сформировала крупный рынок легких перевозок.
Для определенных компаний разработка успешного сверхлегкого носителя может стать отправной точкой для создания ракет среднего класса. Так, Rocket Lab уже приступила к созданию ракеты Neutron, способной выводить на низкую околоземную орбиту до 8 тонн полезной нагрузки. В то же время, другие владельцы действующих сверхлегких носителей пока не сообщили о планах по разработке ракет среднего размера. Им предстоит получить ценный опыт космических запусков, который значительно облегчит переход к созданию более мощных ракетных систем.
Безусловно, наблюдается стремительный рост разработок сверхлегких ракет-носителей, и в будущем их количество будет увеличиваться. Это вряд ли приведет к насыщению рынка запусков малых полезных нагрузок, скорее, наоборот, оно будет динамично расширяться. Современные перспективы сверхлегких ракет-носителей представляются весьма привлекательными. Как эти планы будут реализованы, покажет ближайшее будущее.