Zoals u weet, is het belangrijkste document dat de belangen van de staat, de belangrijkste doelen, prioriteiten en taken van Rusland op het gebied van onderzoek, verkenning en gebruik van de ruimte definieert, goedgekeurd door de president van de Russische Federatie Vladimir Poetin in april 2013 "Fundamenten van het staatsbeleid van de Russische Federatie op het gebied van ruimteactiviteiten voor de periode tot 2030 en daarna".
In overeenstemming met dit document zijn de belangrijkste prioriteiten het waarborgen van de gegarandeerde toegang van Rusland tot de ruimte vanaf zijn grondgebied met de ontwikkeling en het gebruik van ruimtetechnologie, technologieën, werken en diensten in het belang van de sociaaleconomische sfeer en de defensie van het land, evenals als de veiligheid van de staat; het creëren van ruimtegoederen in het belang van de wetenschap; activiteiten met betrekking tot de uitvoering van bemande vluchten, met inbegrip van het creëren van een wetenschappelijke en technische basis voor de uitvoering van bemande vluchten naar planeten en andere organen van het zonnestelsel in het kader van internationale samenwerking.
De uitvoering van deze doelstellingen wordt verzekerd door het gebruik en de ontwikkeling van bestaand wetenschappelijk, technisch en productiepotentieel voor de creatie van veelbelovende draagraketten, interorbitale sleepboten, doel- en servicesystemen van automatische ruimtevaartuigen (SC), bemande ruimtevaartuigen van de nieuwe generatie, infrastructuurelementen voor activiteiten in deep space en baanbrekende technologieën om doelproblemen en productietechnologieën op te lossen.
Het resultaat zal zijn het behoud van de status van Rusland als een van de leidende ruimtemachten, een bevestiging van de zelfvoorziening bij het ondersteunen van zijn eigen ruimteactiviteiten over het hele spectrum van taken die de oprichting vereisen van een orbitale constellatie van ruimtevaartuigen op basis van een economisch efficiënte vloot van Russische draagraketten.
De noodzaak om een stabiele positie en concurrentievermogen op de markt voor lanceerdiensten te behouden, is een stimulans om de technische en economische indicatoren van vliegtuigen te verbeteren, voornamelijk om hun energiecapaciteit te vergroten.
Al deze factoren kwamen het duidelijkst tot uiting in het voorbeeld van het economisch meest succesvolle product van de Russische kosmonauten - het zware draagraket "Proton". Het was de lancering van de Proton-raket op de internationale markt van lanceerdiensten en de constante modernisering die de GKNPT's im. MV Khrunichev om te overleven in de jaren 90 en "nul" en industriële samenwerking te onderhouden, het onderhoud van de Russische orbitale groep van ruimtevaartuigen en deelname aan internationale projecten te waarborgen.
Laadvermogen op wedstrijdweegschalen
Om te bepalen welke SV in de FKP-2025 moet worden ontwikkeld, moet men begrijpen dat de energiecapaciteiten van het lanceervoertuig worden bepaald door de massa van de lading die in de werkende baan wordt gelanceerd. Vaak, hoewel niet helemaal correct, wordt bij het beoordelen van de LV-energie een lage baan om de aarde met een hoogte van 200 kilometer en een helling gelijk aan de breedtegraad van het startpunt gebruikt. Voor de werking van het ruimtevaartuig wordt deze baan niet gebruikt als een werkende baan, omdat vanwege de vertraging van de atmosfeer de levensduur van het ruimtevaartuig erop niet langer is dan een week. Onder de verscheidenheid aan ruimtevaartuigen, de duurste en meest hulpbronnenintensieve markt voor telecommunicatieruimtevaartuigen die in een geostationaire baan werken.
Er zijn twee kenmerken van commerciële lanceringen van telecommunicatieruimtevaartuigen. De massa van commerciële ruimtevaartuigen groeit sneller dan die welke in het kader van federale programma's zijn gelanceerd. Maar zoals je in de grafiek kunt zien, is zelfs de massa van commerciële ruimtevaartuigen verre van onbeperkt en voor hun lancering is een superzware klasse LV (STK LV) van het SLS-type helemaal niet vereist.
Er zijn ook verschillen in het ballistische ontwerp van commerciële lanceringen. Het gebeurde zo dat buitenlandse ruimtevaartuigen, in tegenstelling tot binnenlandse, niet onmiddellijk in een geostationaire baan worden gebracht, maar in een tussenliggende "standaard geo-overdrachtbaan". Het ruimtevaartuig, gescheiden van de LV erop, werkt na een ballistische pauze van ongeveer vijf uur op het hoogtepunt van de baan, met behulp van zijn eigen voortstuwingssysteem, een impuls uit die zorgt voor de vorming van een geostationaire baan. Rekening houdend met het brandstofverbruik, moet de massa van de lading die in de tussenliggende geosynchrone overdrachtbaan wordt gelanceerd ongeveer 1,6 keer groter zijn dan in de werkbaan, dat wil zeggen de geostationaire baan.
Maar laten we terugkeren naar Proton - alleen de noodzaak om het concurrentievermogen op de markt voor lanceerdiensten te behouden, is de reden geworden voor het uitvoeren van vier fasen van de modernisering ervan ten koste van middelen uit de commerciële lanceringen van de Proton LV - vanaf de eerste versie van Proton-K naar Proton-M en ontwikkeling voor het Proton-draagraket van de nieuwe Upper Stage (RB) Briz-M, die het mogelijk maakte om de massa van de lading die in de geostationaire baan werd afgeleverd te vergroten van 2, 6 naar 3,5 ton en naar de geostationaire overdrachtbaan - van 4,5 tot 6, 3 ton. Maar hoe goed de koerier Proton ook is, zijn lanceringen worden niet gemaakt vanaf het grondgebied van Rusland. Ook zijn er problemen met de brandstofvoorziening voor Proton, een zeer giftige heptyl die wordt gebruikt op militaire raketten en behoort tot de stoffen van de eerste, hoogste gevarenklasse.
Het leiderschap van het land heeft de industrie tot taak gesteld om te zorgen voor gegarandeerde toegang tot de ruimte vanaf zijn grondgebied - lanceringen van ruimtevaartuigen moeten worden uitgevoerd door raketten die in Rusland zijn ontwikkeld en geproduceerd. Bovendien is het noodzakelijk om de milieuveiligheid van lanceringen te verbeteren door het gebruik van giftige brandstof te elimineren.
Deze taken moeten worden opgelost door het programma voor de creatie van een zwaar draagraket "Angara", dat de gegarandeerde lancering van telecommunicatie en meteorologische ruimtevaartuigen en ruimtevaartuigen in een geostationaire baan zal garanderen, waardoor de verdediging en veiligheid van de staat wordt gewaarborgd.
Helaas is het draagraket "Angara" al geruime tijd gemaakt. Het decreet van de regering van de Russische Federatie over de ontwikkeling van een project van een ruimteraketcomplex (SRS) van een zware klasse werd aangenomen op basis van de resultaten van een wedstrijd die 22 jaar vóór de eerste lancering van de LV werd gehouden. Echte financiering voor het programma begon na 2005. Het maakte het mogelijk om in 2014 twee succesvolle testlanceringen uit te voeren en lanceringen van LV met beoogde payloads vanaf 2016 te plannen. Wanneer het wordt gelanceerd vanaf de Plesetsk-kosmodroom, zullen de energetische capaciteiten van het Angara-A5-draagraket met een cryogene RB KVTK ervoor zorgen dat een lading van 4,5 ton in een geostationaire baan wordt gelanceerd en 7,5 ton in een standaard geostationaire baan (bij gebruik van de Briz -M RB - respectievelijk 2, 9 en 5, 4 ton).
Wanneer het Angara-ruimtevaartuig wordt ingezet op het Vostochny-kosmodrome, zullen de energetische capaciteiten van het Angara-A5-lanceervoertuig met een zuurstof-waterstof-RB van de KBTK ervoor zorgen dat een nuttige lading met een gewicht tot vijf ton in een geostationaire baan wordt gelanceerd, en tot acht ton in een geostationaire baan. Deze energiereserve is in de nabije toekomst voldoende voor het lanceren van ruimtevaartuigen in het kader van federale programma's, maar staat niet toe om te concurreren voor het lanceren van ruimtevaartuigen van de hogere prijsklasse met nieuwe buitenlandse zware lanceervoertuigen met een groter laadvermogen - Delta-IVH, Ariane-5ECA en Atlas -5. In het bijzonder het Atlas-5-lanceervoertuig van de 500-serie lanceert tot 8, 7 ton in de geo-overdrachtbaan, en de krachtigste van de lanceervoertuigen die worden gebruikt om het ruimtevaartuig van het Amerikaanse ministerie van Defensie (Delta-IVH) te lanceren biedt de lancering van een nuttige lading met een massa van maximaal 13 in de baan voor geo-overdracht.1 ton.
Na een uitgebreide analyse van de prioriteiten en vereisten voor de energiecapaciteiten van grondvoertuigen, evenals de toestand van de markt voor ruimtediensten, heeft de STC van Roskosmos vastgesteld dat om problemen in de ruimte op te lossen, waaronder het lanceren van veelbelovende ruimtevaartuigen met een massa van ten minste zeven ton in een geostationaire baan en 12 ton in een geostationaire baan. Een draagraket dat in staat is om ten minste 35 ton nuttige lading in een lage baan om de aarde te plaatsen.
Zo'n draagraket - "Angara-A5V" kan worden gemaakt door de zuurstof-kerosine derde trap van de "Angara-A5" draagraket te vervangen door de zuurstof-waterstoftrap van een nieuw ontwerp. Het draagraket "Angara-A5V" is maximaal verenigd met het gecreëerde draagraket "Angara-A5", ook wat betreft infrastructuurvoorzieningen op de grond. In termen van energiecapaciteiten zal het Angara-A5V-lanceervoertuig overeenkomen met de momenteel ontwikkelde buitenlandse draagraketten met een verhoogd laadvermogen, zoals Ariane-6 (Europa), Vulcan (VS), CZ-5 (China) en N-3 (Japan) en zal in de nabije toekomst zorgen voor het concurrentievermogen van Russische zware ruimtevoertuigen op de wereldmarkt van ruimtediensten.
Onze zware lanceervoertuigen "Proton-M" en "Angara-A5" met raketmotoren voor vloeibare stuwstof (LPRE) komen overeen met buitenlandse lanceervoertuigen, zowel wat betreft stuwkracht-gewichtsverhouding als in ladingsmassa's die in gespecificeerde banen worden gelanceerd.
Gas of zonder gas
Momenteel bestaat de vloot van binnenlandse SV's uit het lichte lanceervoertuig Rokot, het middelgrote lanceervoertuig Sojoez met de Fregat-raketwerper en het zware lanceervoertuig Proton met de DM- en Briz-M-raketwerpers.
In de nabije toekomst zullen de "heptyl" draagraketten "Rokot" en "Proton" de milieuvriendelijke draagraketten van de "Angara"-familie vervangen. Tegelijkertijd wordt overwogen om de technologie te verbeteren en de kosten van seriële Angara-A5-lanceervoertuigen te verlagen. Er zijn ook werkzaamheden gepland om de "heptyl" RB "Fregat" te vervangen door een kleine RB "ML" met gebruikmaking van milieuvriendelijke componenten. Het is ook de bedoeling om de veteraan van de binnenlandse raketten van het Sojoez-lanceervoertuig te vervangen door een veelbelovend middenklasse-lanceervoertuig, dat wordt gemaakt als onderdeel van het ontwikkelingswerk van Phoenix. Tijdens de ontwikkeling is het de bedoeling om veelbelovende technologieën te implementeren die zorgen voor een toename van de operationele kenmerken, waaronder het gebruik van vloeibaar aardgas (LNG) als raketbrandstof.
Open ruimte
Waarom is LNG interessant? Het belangrijkste voordeel is de fundamentele mogelijkheid om de kosten van het aandrijfsysteem (PS) van het lanceervoertuig te verlagen als gevolg van een radicale verlaging van de werkdruk in de verbrandingskamer van de motor (van 250-260 tot 160-170 atmosfeer) met een lichte (≈4%) toename van de holte-specifieke impuls. Een verhoging van de laatste parameter maakt het mogelijk om het bereikte niveau van energie- en massakenmerken van de LV-trappen te behouden, ondanks het feit dat de dichtheid van LNG half zo groot is als die van kerosine. Een kenmerk van raketmotoren met vloeibare stuwstof die worden aangedreven door LNG is de mogelijkheid om een motor te ontwikkelen met een herstelplan, dat minder vatbaar is voor snelle explosieve ontwikkeling van noodsituaties. In het algemeen blijkt uit voorlopige technische en economische beoordelingen dat het mogelijk is om een verlaging van de kosten van voortstuwingssystemen voor LNG met ongeveer 1,5 keer te verwachten in vergelijking met voortstuwingssystemen op basis van bestaande hogedrukkerosineraketmotoren, waardoor het concurrentievermogen van binnenlandse lanceervoertuigen.
Bij het evalueren van de ervaring van het maken van een superzwaar lanceervoertuig, moet worden opgemerkt dat Energia - Buran ongetwijfeld het hoogtepunt is van binnenlandse rakettechnologie, een uitstekend programma in termen van organisatie, concentratie van middelen, prestaties bij de ontwikkeling van nieuwe structurele en warmte -afschermingsmaterialen, het beheersen van technologieën voor het maken van krachtige kerosine- en waterstofmotoren, productie en transport van grote hoeveelheden vloeibare waterstof, hypersonische aerodynamica, enz. Het hele land werkte ervoor, maar de staat had niet de middelen, krachten en doelen om in te zetten dit ruimtesysteem in een baan om de aarde. Tegelijkertijd werd meer dan 10 jaar werk aan de oprichting van het "Energia" - "Buran" -complex, meer dan een derde van de voor ruimteactiviteiten toegewezen middelen besteed, wat de effectiviteit van de uitvoering van de andere gebieden beïnvloedde.
Tijdens deze periode ontwikkelde en begon de European Space Agency (ESA) de Ariane-4 middenklasse LV te lanceren. Het Arianspace-bedrijf nam met deze raket meer dan de helft van de markt in beslag voor commerciële lanceringen in een geotransferbaan en creëerde, na geld te hebben verdiend, het zware draagraket Ariane-5, dat nog steeds zorgt voor de implementatie van ESA's ruimteprogramma's en meer dan 40 procent in handen heeft van de wereldmarkt voor lanceringsdiensten.
De krant "VPK" (nr. 27) schreef: "… Het Pentagon zou een gevoel van diepe tevredenheid moeten voelen, kijkend hoe Rusland steeds verder verwijderd wordt van de creatie van moderne superzware draagraketten", maar schattingen laten zien dat alle militaire taken in de nabije toekomst het Pentagon zal oplossen, met behulp van de draagraketten van een zware klasse van het type Delta IVH en Atlas-5, en niet het draagraket SLS, gemaakt voor interplanetaire vluchten. Het is onjuist om de energiecapaciteiten van het 25-tons Angara-A5-lanceervoertuig en het 130-tons SLS-lanceervoertuig te vergelijken - het is alsof u zegt: "Een dumptruck van 130 ton is cooler dan KamAZ, en Gazelle is geen machine bij alle." Helemaal niet: elk voertuig - een auto of een raket, moet, om effectief te zijn, in de buurt van de bovengrens van zijn energiecapaciteiten worden gebruikt. Als het lanceervoertuig leeg wordt gereden, nemen de eenheidskosten voor het lanceren van de lading toe, en dit is een van de belangrijkste indicatoren voor de efficiëntie van het lanceervoertuig. Daarom heeft de staat niet één superkrachtig lanceervoertuig nodig, maar een optimaal uitgebalanceerde vloot van SV's met verschillende nuttige ladingen voor specifieke nuttige ladingen. Als er geen dergelijke ladingen voor de LV zijn, riskeert hij het lot van Energia te delen. Trouwens, het is veelzeggend dat twee Saturn-5-raketten aan het einde van de missie naar de maan door NASA en het Amerikaanse ministerie van Defensie naar een museum werden gestuurd zonder een lading voor hen te vinden.
De kwestie van het gerichte gebruik van het STK-draagraket werd overwogen bij de STC van Roskosmos - ze kwamen tot de conclusie dat het niet nodig is om vóór 2030-2035 monocargo's met een gewicht van 50-70 ton te lanceren. De prioriteiten van de Russische ruimtevaartindustrie, we herhalen, zijn gedefinieerd in de "Fundamentals van het staatsbeleid op het gebied van ruimteactiviteiten …" De primaire taken zijn de ontwikkeling van orbitale groepen ruimtevaartuigen voor wetenschappelijke, sociaaleconomische en duale doeleinden. Daarom besloot de Roskosmos NTS, in de richting van de ontwikkeling van een superzwaar draagraket, tot 2025 zich te beperken tot het creëren van een wetenschappelijke en technische basis en de ontwikkeling van veelbelovende technologieën.
Toegegeven moet worden dat de toestand van de Russische orbitale groep van ruimtevaartuigen, om het zacht uit te drukken, niet de meest welvarende is. In het bijzonder bestaat een constellatie van Earth remote sensing (ERS)-ruimtevaartuigen uit slechts zeven ruimtevaartuigen en voldoet het aan de behoeften van huishoudelijke consumenten op het niveau van 20-30 procent, terwijl de ERS-constellaties van de VS, Europese landen en China uit meer dan 35 ruimtevaartuigen elk, die een globaal stuuroppervlak van de aarde bieden, ook in het radarbereik. Zelfs in India omvat de ERS-satellietconstellatie 17 satellieten. Dit is waar de FKP-2025-fondsen in de eerste plaats naartoe moeten gaan - bij de ontwikkeling van communicatieruimtevaartuigen, navigatie, teledetectie, meteorologie, inclusief ruimtevaartuigen met een hoge ruimtelijke resolutie voor alle weersomstandigheden, wat vooral belangrijk is voor Siberië, het Verre Noorden, het Noordpoolgebied en het Verre Oosten.
Zoals blijkt uit ballistische berekeningen, zal de geoptimaliseerde versie van de Angara-A5V LV met een verbeterde cryogene RB KBTK-V bij lancering vanaf het Vostochny-kosmodrome een nuttige lading opleveren van maximaal 11, 9 ton in een geostationaire omloopbaan en maximaal 7 ton., 2 ton in een geostationaire baan, en ook de mogelijkheid om de eerste fase van het bemande maanprogramma uit te voeren met behulp van een vier-lanceringsschema (zie Fig.): twee gepaarde lanceringen van de LV, die afzonderlijke levering aan de maanbaan van de maanlandings- en startcomplex (LPVK) en het bemande transportvoertuig (PTK) met hun in een baan om de aarde gestationeerde kunstmatige satelliet van de maan (OISL) en de daaropvolgende landing van LPVK met een bemanning op het oppervlak van de maan.
Een typische lancering van een paar omvat de lancering van een lading in een ballistisch traject als onderdeel van een PTC of LPVK en een kleine interorbitale zuurstof-kerosine sleepboot (MOB2), gemaakt op basis van de "DM" sleepboot (MOB1), ontwikkeld op de basis van de reserve voor RB KVTK. MOB1 met een lanceringsgewicht van meer dan 38 ton wordt gelanceerd volgens het schema met een extra lancering door de tweede lancering van de Angara-A5V LV. Na het aanmeren in een lage baan om de aarde en fasering, wordt het geassembleerde interorbitale ruimtevaartuig van de maan eerst in een zeer elliptische baan gebracht vanwege de kracht van MOB1. Nadat de brandstof opraakt, wordt de waterstof MOB1 afgescheiden en voltooit de kerosine MOB2 de vorming van het vertrektraject. Verder biedt MOB2 trajectcorrectie op de vlucht naar de maan en de overdracht van de lading naar de omtrekbaan. Het project FKP-2025 voorziet in de werkzaamheden op de aangegeven fondsen.
Natuurlijk is het multi-lanceringsschema nogal ingewikkeld, het vereist de hoogste coördinatie: het startteam moet tegelijkertijd aan twee draagraketten werken, zoals een klok. Voorlopige technische en economische beoordelingen tonen aan dat het gebruik in de beginfase van het bemande maanprogramma van een multifunctioneel draagraket met een groter laadvermogen van een klasse van 35 ton in plaats van een gespecialiseerd superzwaar draagraket van 80 ton het mogelijk zal maken om de financiële kosten met meer dan een orde van grootte, en de bespaarde middelen kunnen worden gebruikt in het belang van de ontwikkeling van de binnenlandse orbitale groepering van ruimtevaartuigen, sociaal-economisch, wetenschappelijk en voor tweeërlei gebruik.
Wat betreft het gebruik van vaste stuwstof boosters (TTU) als onderdeel van het draagraket, moet hier worden opgemerkt dat vaste brandstof raketmotoren (vaste stuwstof raketmotoren), in vergelijking met vloeibare stuwstof raketmotoren, niet alleen voordelen hebben, maar ook nadelen - een specifieke stuwkrachtimpuls verminderd met ~ 10-30 procent, de slechtste gewichtsperfectie van het ontwerp, brand- en explosiegevaar van productie en uitrusting van een brandstoflading, beperking van de bedrijfstijd, tractiecontrole, temperatuuromstandigheden bij het opstarten, schadelijke effecten van verbrandingsproducten op het milieu. Bovendien moet rekening worden gehouden met de 30-40 procent hogere kosten van een draagraket met raketmotoren voor vaste stuwstof in vergelijking met een draagraket met raketmotoren voor vloeibare stuwstof en met de noodzaak om aanzienlijke middelen te investeren in de ontwikkeling van productie-, technologische en testfaciliteiten voor het maken van grote raketmotoren voor vaste stuwstof.
Het gebruik van grote raketmotoren voor vaste stuwstof als onderdeel van het lanceervoertuig is herhaaldelijk overwogen in binnenlandse projecten, maar rekening houdend met bovenstaande factoren, op basis van de vergelijking van alternatieven, werd steevast gekozen voor motoren voor vloeibare stuwstof. Rusland is een leider in de ontwikkeling en productie van kruisraketmotoren, die worden gekocht door klanten, waaronder die uit de Verenigde Staten. In het FKP-2025-project is het ook de bedoeling om de technologie te testen voor het creëren van een vaste stuwstof voor de lancering met een stuwkracht van ongeveer 100 ton. De haalbaarheid van het gebruik van raketmotoren met vaste stuwstof in veelbelovende lanceervoertuigen, bijvoorbeeld in dezelfde "Phoenix", zal later worden bepaald op basis van de resultaten van een gedetailleerde analyse.
Concluderend: het is duidelijk dat het FKP-2025-project kan blijven worden verbeterd, maar in termen van de ontwikkeling van draagraketten is dit document vrij evenwichtig, het weerspiegelt de werkelijke stand van zaken en bepaalt de vooruitzichten voor de ontwikkeling van deze sector van de industrie tot 2025, rekening houdend met de vastgestelde prioriteiten van ruimtevaartactiviteiten en kansen van de staat voor de financiering ervan.
