Сверхтяжелая ракета Falcon Heavy – рекордсмен по грузоподъемности?

Начнем

Задача снижения стоимости вывода полезной нагрузки в данный момент остро стоит во всем мире. Уже сейчас за рубежом активными темпами набирает популярность организация частных космических предприятий, благодаря которым наблюдаются позитивные тенденции в области снижения стоимости пусков на международном рынке по выведению на орбиту космических аппаратов (КА). Если рассматривать КА с точки зрения средств выведения, то есть как полезную нагрузку ракеты-носителя (РН), то КА будет классифицироваться по массогабаритным характеристикам и высотой опорной орбиты, на которую его необходимо вывести. Наблюдаемая в настоящее время тенденция к уменьшению веса и габаритов космических аппаратов наряду с увеличением количества малых космических аппаратов (МКА) [1] объясняется не только низкой стоимостью изготовления и запуска, но и сравнительно малыми сроками разработки, а также возможностью решения разнообразных задач в интересах бизнеса и науки [2]. Общее понятие МКА довольное широкое: в него входят все искусственные спутники массой от 0.5 кг. до 1 тонны. Наиболее перспективным и в данный момент активно развивающимся направлением является формат МКА типа CubeSat. В настоящий момент выведенное, а также прогнозируемое количество CubeSat приведено на рисунок 1

Рисунок 1. Тенденции развития МКА [3]

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. Для осуществления поддержания группировок будут необходимы легкие РН [4], рассчитанные на выведение на низкую околоземную орбиту полезной нагрузки массой от единиц килограммов до 500 килограммов. К таким носителям будут предъявляться требования минимальной стоимости и высокой оперативности пуска. Отличительная особенность группировок малых КА – низкие сроки жизни отдельных спутников на НОО из-за ускоренного по сравнению с более тяжелыми спутниками затухания орбиты и постепенной деградации применяемой при их создании промышленной и потребительской электроники. Поскольку все проектно-конструктивные параметры РН взаимосвязаны, минимизация стоимости пуска РН с технико-экономической точки зрения может быть достигнута за счет использования более современных технологий изготовления элементов РН (применение аддитивных технологий), применения доступных на рынке потребительских и промышленных узлов и агрегатов (особенно это актуально при разработке систем управления) повышением энергомассового совершенства, частичной замены натурных испытаний виртуальными при изготовлении конструкции, а также повторным использованием агрегатов РН.

На основе анализа рынка спутников сформированы следующие требования к перспективной РН:

• масса полезной нагрузки: 250 кг;
• целевая орбита: 500 км.

Кроме того, с учётом опыта ведущих зарубежных частных космических компаний (Space X, Blue Origin и др.) а также, исходя из интересов долгосрочного перспективного развития космической отрасли, требующих кардинального снижения стоимости запуска полезной нагрузки, было решено рассматривать вариант частично-многоразовой РН. Варианты полностью многоразовой системы, такие как воздушный старт + воздушно-космический самолёт и одноступенчатая РН, были отброшены в связи с высоким техническим риском. Более перспективными были признаны варианты системы с возвращаемой первой ступенью.

Рассмотрим варианты компоновок РН см. рисунок 2.

• Тандемная схема (у которой ступени расположены одна за другой и работают в полёте поочерёдно)
• Пакетная схема (несколько блоков, расположенных параллельно и относящихся к разным ступеням, работают в полёте одновременно)

Рисунок 2. Варианты компоновок РН
Вариантов реализации «многоразовости» для данных компоновок немного, как правило, рассматривается тандемная схема с многоразовой первой ступенью (как у Falcon 9), или пакетная схема с многоразовыми боковыми блоками (как у гипотетической Энергии – 2), Однако, нам показалось, что при решении такой нетривиальной задачи стоит смотреть на вопрос более широко не ограничиваясь только классическими вариантами компоновки одноразовых РН. И в пакетной, и в тандемной схеме вторая ступень при выведении нагружается аэродинамическими усилиями и нагревом, хотя ее рабочий участок пролегает в разреженных верхних слоях атмосферы. Можно выиграть в массовых характеристиках, отказавшись от теплозащитного покрытия и уменьшив толщину обшивки баков и адаптера, если разместить вторую ступень в отсеке первой ступени, защитив конструкцию второй ступени от теплового и силового воздействия атмосферы. Проанализировав в первом приближении баллистические и массовые характеристики РН для траекторий выведения полезной нагрузки массой 250 кг на опорную орбиту 500 км мы пришли к выводу, что оптимальная масса второй ступени для двухступенчатой ракеты с такими характеристиками составляет менее 5-ти тонн, а её максимальные линейные размеры с учетом полезной нагрузки не превышают 6,5 метров в длине и 1,7 метра в ширине, что даёт некоторую свободу в выборе компоновки. Было решено отказаться от использования сбрасываемого обтекателя и полностью разместить вторую ступень внутри специального отсека первой ступени. Первую же ступень решено делать конической формы, так как такая форма, как известно, обеспечивает приемлемые аэродинамические характеристики в широком диапазоне чисел Маха. Для повышения аэродинамического качества и управляемости см. рисунок 3 у РН имеется цельноповоротное оперение, размещенное в носовой части, а также дополнительные аэродинамические поверхности, размещенные в хвостовой части.

Рассмотрим далее основные параметры и некоторые результаты.

Falcon Heavy – возможности ракетоносителя

Американская космическая ракета Falcon Heavy (Фалькон Хэви, “Тяжелый «Сокол»”) от компании SpaceX (детище Илона Маска) в настоящее время является самой мощной и грузоподъемной ракетой в мире. При стартовой массе почти полторы тысячи тонн (1 420 788 кг) Falcon Heavy теоретически способна вывести на низкую околоземную орбиту груз весом в 64 тонны – т.е. вес пассажирского лайнера типа “Боинг-737” вместе с пассажирами, багажом и топливом. Для сравнения – российский ракетоноситель “Протон М” поднимает до той же высоты груз в 23 тонны, а американский ракетоноситель “Дельта-IV в рамках программы “Спэйс Шаттл” “осиливал” 24 тонны полезного груза.

Американская частная космическая компания SpaceX предлагает повторное использование ступеней космических ракет

Таким образом, если брать чисто теоретические расчетные данные, Falcon Heavy является действительно мощным шагом вперед – по сравнению с ближайшим “конкурентом”, этот ракетоноситель способен вводить в 2,5 раза больше груза, при этом его запуск, если верить производителю, стоит всего треть от стоимости запуска той же “Дельта-IV”.

Основа конструкции “тяжелого «Сокола»” – связка из трех ракет “Falcon 9” (т.е. “Сокол-9”), служащих ракетоносителю в качестве первой ступени. Каждая из трех Falcon’ов оснащена 9-ю двигателями “Мэрлин 1D”, что в совокупности дает 27 двигателей суммарной тягой 5 000 000 фунтов. Опять же сравнивая с пассажирскими “боингами”, это примерно соответствует мощности вырабатываемой сразу 18 лайнерам типа “Боинг-747” на взлете. Впечатляет, правда?

Основная задача для которой создавался Falcon Heavy – продолжительные полеты, причем не на околоземную орбиту, а к куда более интересным целям, таким как Луна или Марс. Хотя грузоподъемность “Тяжелого Сокола” тут будет уже куда меньше, тем не менее, она все ещё остается весьма впечатляющей. Судите сами, грузоподъемность ракетоносителя Falcon Heavy:

• Для низкой околоземной орбит составляет: 64 тонны
• Для геопереходной орбиты: 26,7 тонн
• Для полета к Марсу: 16,8 тонн
• Для полета к Плутону: 3,5 тонны

…и даже 3,5 тонны – это очень неслабые цифры, учитывая время в полете и расстояние до цели.

Впрочем, стоит отметить, что Марс или Плутон в ближайшие годы вряд ли дождутся своего “Сокола” – не смотря на рекламным завершения о покорении далеких планет, никаких дальних полетов в ближайшем будущем SpaceX не анонсировала, а вот обещания “завалить” орбиту Земли спутниками в последнее время звучать все чаще. Оно и понятно, в конце концов SpaceX – проект не исследовательский, а коммерческий.

Взлет ракеты Falcon Heavy с космодрома Канаверал

История создания

История создания началась задолго до первого запуска. Началом послужило постановление ЦК КПСС о необходимости разработки новой межконтинентальной баллистической ракеты, которая сможет доставить термоядерный заряд на значительное расстояние, исчисляемое тысячами километров. После нескольких лет разработок задача была выполнена. Межконтинентальная двухступенчатая ракета нового образца МБР Р-7А поступила на вооружение специально созданного подразделения ракетных войск. Первый пуск состоялся в 1959 году. В различных модификациях Р-7 пробыла на вооружении лишь 10 лет, но благодаря высокому модернизационному потенциалу и удачной конструкции она стала основой для целого семейства космических ракет-носителей.

Уже после первого пилотируемого полета в космос, в рамках реализации программы более длительных полетов, началась разработка новой ракеты на базе Р-7. Проблема была в том, что все ракеты Советского Союза на то время, в том числе и «Восход», не подходили для эксплуатации в рамках, заданных проектом. Помимо увеличения длительности полета, на новой ракете должна была быть реализована система аварийного спасения экипажа в случае экстренной ситуации, которая не предусматривалась на «Восходе».

Основой для конструкции новой ракеты среднего класса семейства Р-7 стали уже эксплуатируемые носители «Восход» и «Р-7А». Новый РН получил наименование «Союз» и индекс 11А511. Эта трехступенчатая ракета-носитель стала использоваться для запусков кораблей «Союз» и «Прогресс». Впервые запуск ракеты «Союз» осуществлен в 1966 году.

Ракетоноситель Falcon Heavy и мифы

Если быть совсем точными, то нельзя не отметить того факта, что заявленные выше цифры грузоподъемности Falcon Heavy выглядят так впечатляюще только при первом знакомстве.

Сравнительно малая стоимость запуска ракетоносителя Falcon Heavy обеспечена тем, что часть его элементов (а это первая ступень целиком – т.е. все три “корпуса” от “Falcon 9” вместе с двигателями) сделаны возвращаемыми и пригодными для повторных запусков. Однако, рекордный “полезный” вес в 64 тонны связка “Соколов” обеспечивает только при расчете на то… что все три разгонные блока не вернутся и сгорят в атмосфере, как у тех же “Дельта-4” или “Протон-М”.

Если же рассчитывать на “штатный” запуск с возвращаемыми ступенями, то полезная нагрузка уменьшается в два раза- до 30 тонн на низкую орбиту. При этом, стоит отметить, что в истории космонавтики были ракетоносители “бравшие” планку даже не в 64, а во все 100 тонн – американский “Сатурн-5” (теоретически до 140 тонн) и советская “Энергия” (подтвержденные 105 тонн). Так что если подходить к делу серьезно, становится понятно, что над Falcon Heavy хорошо поработали не только конструкторы, но и маркетологи.

Эффектные кадры посадки двух возвращаемых ускорителей (каждый из них – фактически ракета Falcon 9) от сверхтяжелой ракеты Falcon Heavy

Ссылки [ править ]

1. Дорожные карты космических технологий НАСА — Запуск двигательных систем, стр.11 : «Малые: полезные нагрузки 0–2 т, Средние: 2–20 тонн, тяжелые: 20–50 тонн, сверхтяжелые:> 50 тонн».
2. ↑
   Мэй, Сандра (27 августа 2014 г.). «Что такое тяжелая ракета-носитель?» . НАСА . Проверено 11 июня +2017 .
3. «Руководство пользователя Ariane 5, выпуск 4, стр. 39 (орбита МКС)» (PDF) . Arianespace . Архивировано из оригинального (PDF) 27 сентября 2007 года . Проверено 13 ноября 2007 года .
4. «Lanzamiento дель ATV-5 Жорж Лемэтр (Ariane 5 ES)» .
5. «Arianespace отмечает свою веху в середине 2022 года запуском рекордной миссии Ariane 5 на службе ViaSat и Eutelsat» (пресс-релиз). Arianespace . 1 июня 2022 . Дата обращения 2 июня 2017 .
6. «Arianespace запускает два космических корабля в миссии по исследованию Вселенной» . Arianespace
   . Проверено 6 января 2022 года .
7. ^ a b «Руководство пользователя служб запуска Delta IV, июнь 2013 г.» (PDF) . United Launch Alliance . Июнь 2013. С. 2–10. Архивировано из оригинального (PDF) 10 июля 2014 года . Проверено 9 октября 2022 года .
8. «НАСА НАСА Orion Exploration Flight Test-1 PRESS KIT» (PDF) . НАСА . Декабрь 2014. с. 12.
9. «Запуск Long March 5B расчищает путь для китайского проекта космической станции» . SpaceNews.com
   . 5 мая 2022 . Дата обращения 5 июня 2022 .
10. ↑
    Барбоса, Руи С. (4 мая 2022 г.). «Первый запуск космической капсулы нового поколения на лофте Long March 5B» .
    nasaspaceflight.com
    . Дата обращения 5 мая 2022 .
11. «Первая китайская ракета Long March 5B запускает испытательный полет капсулы экипажа» . Spaceflightnow.com
    . 5 мая 2022 . Дата обращения 5 мая 2022 .
12. «SJ 20 — Космическая страница Гюнтера» . space.skyrocket.de
    . Проверено 6 января 2022 года .
13. «Руководство планировщика миссии системы запуска Proton — Раздел 2. Характеристики LV» (PDF) . Международные запуски . Июль 2009 . Проверено 11 июня +2017 .
14. Кребс, Гюнтер. «ViaSat 1» . Космическая страница Гюнтера
    . Проверено 11 июня +2017 .
15. «ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO)» . Европейское космическое агентство. 12 июля 2012 . Проверено 8 марта 2014 .
16. «Космический полет101, Ангара-А5» . Архивировано из оригинала 9 августа 2022 года . Проверено 22 декабря 2015 .
17. «Груз доставлен на орбиту: запуск« Ангары »осуществлен в штатном режиме.» . Вести.ру
    . 14 декабря 2022.
18. Возможности и услуги (2016)
19. де Селдинг, Питер Б. (15 июня 2016 г.). «Запуск SpaceX компании Iridium замедлен из-за узкого места Ванденберга» . SpaceNews
    . Проверено 11 июня +2017 . Каждый спутник Iridium Next будет весить 860 кг при запуске при общей массе полезной нагрузки спутника 8600 кг, плюс дозатор на 1000 кг.
20. «SpaceX и мыс Канаверал возвращаются в действие с первой оперативной миссией Starlink» . NASASpaceFlight.com
    . 1 ноября 2022 . Проверено 11 ноября 2022 .
21. ↑
    Грэм, Уильям (3 июля 2022 г.). «SpaceX Falcon 9 запускается с Intelsat 35e с третьей попытки» .
    НАСАКосмический полет
    .
22. Кребс, Гюнтер. «Telstar 19V (Telstar 19 Vantage)» . Космическая страница Гюнтера
    . Гюнтер . Проверено 7 августа 2022 .
23. «DSCOVR: Климатическая обсерватория глубокого космоса» (PDF) . NOAA. Январь 2015. Архивировано из оригинала (PDF) от 2 апреля 2015 года . Проверено 14 марта 2015 года .
24. https://www.spacex.com/about/capabilities
25. «Arabsat 6A» . Космическая страница Гюнтера
    . Проверено 13 апреля 2022 .
26. «Tesla Roadster (AKA: Starman, 2018-017A)» . ssd.jpl.nasa.gov
    . 1 марта 2022 . Проверено 15 марта 2022 года .
27. Вступая в гонку на Луну, Сатурн IB занял свое место в космосе.
28. «ГКНПЦ имени М.В.Хруничева | Служебный модуль« Звезда »» . www.khrunichev.ru
    . Проверено 6 января 2022 года .
29. «Proton Data Sheet» . www.spacelaunchreport.com
    . Проверено 6 января 2022 года .
30. «Индекс энциклопедии астронавтики: 1» . www.astronautix.com
    . Проверено 6 января 2022 года .
31. ↑
    Astronautix.com, Titan IV. Архивировано 18 февраля 2016 г. в Wayback Machine.
32. «Blue Origin Безоса доставит первые готовые к полету ракетные двигатели следующим летом — генеральный директор ULA» . Рейтер
    .
33. «United Launch Alliance Building Rocket of the Future с ведущими в отрасли стратегическими партнерствами» (пресс-релиз). United Launch Alliance . 27 сентября 2022 . Проверено 28 сентября 2018 .
34. «ЕКА запрашивает еще 230 миллионов евро для Ariane 6, поскольку первый рейс переносится на 2022 год» . SpaceNews
    .
35. Рианна
    Кларк, Стивен (13 августа 2016 г.). «Ракетный холдинг Ariane 6 запланирован на первый полет в 2022 году» .
    Космический полет сейчас
    . Проверено 13 августа +2016 .
36. Lagier, Roland (март 2018). «Руководство пользователя Ariane 6, выпуск 1, редакция 0» (PDF) . Arianespace . Проверено 27 мая 2018 .
37. «Blue Origin откладывает первый запуск New Glenn до конца 2022 года» . SpaceNews
    .
38. Фауст, Джефф (8 марта 2017). «Первый заказчик Eutelsat New Glenn компании Blue Origin» . SpaceNews
    . Проверено 8 марта 2022 года .
39. «ULV» . www.b14643.de
    . Проверено 6 января 2022 года .
40. DeRoy, Rich S .; Рид, Джон Г. (февраль 2016 г.). «Vulcan, ACES и не только: предоставление услуг по запуску космических аппаратов завтрашнего дня» (PDF) . Успехи космонавтики
    . Univelt.
    157
    : 228. AAS 16-052 . Проверено 28 сентября 2022 .
41. «Вулкан Кентавр» . United Launch Alliance . 2022 . Проверено 28 сентября 2022 .
42. «Mitsubishi Heavy Industries обдумывает модернизированные варианты ракеты H3 для лунных миссий» . SpaceNews
    . 25 октября 2022 . Проверено 6 января 2022 года .
43. «Созвездие мертво, но части живут» . Авиационная неделя
    , 26 октября 2010 г.

Как устроена ракета Falcon Heavy

Технически, ракетоноситель Falcon Heavy представляет собой двухступенчатую ракету, внешне напоминающую всю ту же американскую “Дельта-4”.

Первая ступень Falcon Heavy состоит из связки трех ракет “Falcon 9”, разгоняющих всю конструкцию на первом этапе полета, а затем, по мере выработки топлива отделяющиеся от тела основной ракеты (начала два боковых, чуть позже центральный), и (в “экономном” режиме подразумевающем дальнейшее использование), не сгорающих в плотных слоях атмосферы, а безопасно приземляющихся на стартовые площадки, с помощью специальных маневровых двигателей. Двигатели первой ступени фактически имеют только один режим работы – “самый полный вперед!”.

Вторая ступень оборудована такими же двигателями (“Мэрлин”) как и первая ступень, однако этот двигатель отличается тем, что может быть заглушен и вновь запущен несколько раз, позволяя ракете маневрировать и менять высоту орбиты.

По достижению заданной орбиты, Falcon Heavy сбрасывает головной обтекатель состоящий из двух половин и предохраняющий от повреждений полезную нагрузку. Кроме варианта с головным обтекателем, предусмотрен и вариант установки на его место космического корабля “Дракон” разработки SpaceX.

Сравнение внешнего вида и характеристик ракет Falcon 9 и Falcon Heavy

Ступени РН «Союз»

Две ступени ракетоносителя аналогичны РН «Восток», но с рядом усовершенствований. Первая ступень ракеты состоит из 4-х боковых конусообразных ускорительных блоков. На каждом ускорителе установлены автономные двигатели. Отделение ускорительных блоков во время запуска происходит примерно на 118 секунде полета ракеты. Масса бокового блока без топлива – не более 3,75 т, вес топлива составляет 155-160 т.

Вторая ступень включает с топливом и полезной нагрузкой. Масса без топлива — не более 6 т, топливо – 90-95 т. Вторая ступень отделяется от ракеты-носителя примерно на 278 секунде полета.

Третья, доработанная ступень — модернизированный блок «И» РН «Восход» 11А57 общей длиной 6,7 м и диаметром 2,66 м. Оснащена 4-камерным ракетным двигателем на жидком топливе с одним турбонасосным агрегатом. Общая масса 25 т.

Ракета «Союз» — топливо и двигательные установки

Используемое для двигательных установок всех ступеней топливо было идентичным – керосин Т-1. Жидкий кислород использовался в качестве окислителя. Это весьма взрывоопасное вещество, но не токсичное. Для работы вспомогательных систем в небольшом количестве использовались жидкий азот и перекись водорода.

Для первой ступени в качестве двигательной установки (ДУ) использовались четыре 4-х камерных ЖРД (жидкостные ракетные двигатели) РД-107 8Д728. Каждый двигатель ракеты «Союз» первой ступени имел 4 основных неподвижных камеры сгорания и 2 поворотно-рулевых на шарнирных подвесах. Полная масса двигателя составляла 1300 кг.

ДУ второй ступени ракеты «Союз» – двигатель ЖРД РД-108, состоящий из 4-х неподвижных и 4-х поворотных камер с отклонением 350, которые являлись исполнительными органами управления ракетой и использовались для управления положением ракеты в пространстве. Это двигатель открытого цикла с системами наддува и газогенерации массой 1195 кг.

Для третьей ступени — высоконадежный ЖРД РД-0110 11Д55. Это двигатель открытого цикла с турбированной подачей топлива, созданный в ОКБ-154 под начальством С. А. Косберга также имел 4 основных и 4 поворотных камеры сгорания. Предельное время непрерывной работы – 250 сек.

Запуски

РН «Союз» начала успешно выводить искусственные спутники Земли в космос в 1966 году. Изначально это были аппараты серии «Космос», а в дальнейшем и пилотируемые космические корабли. За первые 10 лет эксплуатации ракеты-носителя 11А511 было проведено 32 запуска с космодрома Байконур, 30 были успешными.

Впоследствии на базе РН «Союз» было создано несколько модификаций для выполнения различных задач, главным образом для запуска отечественных и иностранных космических аппаратов разного назначения. Для пусков РН «Союз» было создано 7 стартовых площадок:

• Байконур – 2 площадки.
• Плесецк – 3.
• Гвианский космический центр (Французская Гвиана) – 1.
• Космодром «Восточный» — 1.

Общее число стартов всех «Союзов» — 1020. На конец 2016 года суммарно было совершено 44 пуска РН «Союз 2.1а» и «Союз 2.1б».

Система аварийного спасения

При разработке ракетоносителя «Союз» одной из ключевых задач, стоявших перед конструкторами, было создать систему для спасения экипажа в случае аварийной ситуации. В итоге была разработана и реализована система аварийного спасения (САС), которая активировалась до старта ракеты и в случае необходимости обеспечивала спасения экипажа на старте или на любом участке полета.

Система предусматривает увод от ракеты головного блока с экипажем в безопасное место вместе с обтекателем, спускаемым и приборно-агрегатным аппаратом. Для этого на головном обтекателе были установлены ракетные двигатели разделения, работающие на твердом топливе в комплексе с четырьмя небольшими двигателями управления. На самой вершине головного обтекателя располагался небольшой двигатель, задача которого была уводить весь модуль в сторону после срабатывания двигательной установки разделения. Такая система стала типовой для всех «Союзов».