La conquista dello spazio è diventata una delle conquiste più importanti e epocali dell'umanità. La creazione di veicoli di lancio e l'infrastruttura per il loro lancio ha richiesto enormi sforzi da parte dei principali paesi del mondo. Ai nostri tempi, c'è la tendenza a creare veicoli di lancio completamente riutilizzabili in grado di eseguire dozzine di voli nello spazio. Il loro sviluppo e funzionamento richiedono ancora enormi risorse, che possono essere allocate solo dagli stati o dalle grandi società (di nuovo, con il sostegno dello stato).
All'inizio del XXI secolo, il miglioramento e la miniaturizzazione dei componenti elettronici ha permesso di creare satelliti di piccole dimensioni (i cosiddetti "microsatelliti" e "nanosatelliti"), la cui massa è compresa tra 1 e 100 kg. Di recente si parla di "picosatelliti" (peso da 100 g a 1 kg) e "femto satelliti" (peso inferiore a 100 g). Tali satelliti possono essere lanciati come cargo groupage da diversi clienti o come carico passante per veicoli spaziali "grandi" (SC). Questo metodo di lancio non è sempre conveniente, poiché i produttori di nanosatelliti (nel seguito useremo questa designazione per tutte le dimensioni di veicoli spaziali ultra-piccoli) devono adattarsi al programma dei clienti per il lancio del carico principale, nonché a causa di differenze nelle orbite di lancio.
Ciò ha portato all'emergere della domanda di veicoli di lancio ultra-piccoli in grado di lanciare veicoli spaziali del peso di circa 1-100 kg.
DARPA e KB "MiG"
C'erano e sono in corso di sviluppo molti progetti di veicoli di lancio ultraleggeri - con lancio terrestre, aereo e marittimo. In particolare, l'agenzia americana DARPA stava lavorando attivamente al problema del lancio rapido di veicoli spaziali ultra-piccoli. In particolare, si può ricordare il progetto ALASA, lanciato nel 2012, nell'ambito del quale si prevedeva di realizzare un razzo di piccole dimensioni progettato per essere lanciato da un caccia F-15E e lanciare satelliti di peso fino a 45 kg in orbita di riferimento bassa (LEO).
Il motore a razzo installato sul razzo doveva funzionare con monopropellente NA-7, incluso monopropilene, protossido di azoto e acetilene. Il costo di lancio non doveva superare $ 1 milione. Presumibilmente, sono stati i problemi con il carburante, in particolare con la sua combustione spontanea e la tendenza ad esplodere, a mettere fine a questo progetto.
Un progetto simile è stato elaborato in Russia. Nel 1997, l'ufficio di progettazione MiG, insieme a KazKosmos (Kazakistan), ha iniziato a sviluppare un sistema di lancio del carico utile (PN) utilizzando un intercettore MiG-31I convertito (Ishim). Il progetto è stato sviluppato sulla base delle basi per la creazione di una modifica anti-satellite del MiG-31D.
Il razzo a tre stadi, lanciato a un'altitudine di circa 17.000 metri e a una velocità di 3.000 km/h, avrebbe dovuto fornire un carico utile di 160 kg in orbita a un'altitudine di 300 chilometri e un carico utile di 120 kg in orbita ad un'altitudine di 600 chilometri.
La difficile situazione finanziaria in Russia alla fine degli anni '90 e all'inizio degli anni 2000 non ha permesso di realizzare questo progetto in metallo, sebbene sia possibile che possano sorgere ostacoli tecnici nel processo di sviluppo.
C'erano molti altri progetti di veicoli di lancio ultraleggeri. La loro caratteristica distintiva può essere considerata lo sviluppo di progetti da parte di strutture statali o grandi società (praticamente "statali"). Piattaforme complesse e costose come caccia, bombardieri o aerei da trasporto pesante spesso dovevano essere utilizzate come piattaforme di lancio.
Tutto questo insieme ha complicato lo sviluppo e aumentato il costo dei complessi, e ora la leadership nella creazione di veicoli di lancio ultraleggeri è passata nelle mani di aziende private.
Laboratorio di razzi
Uno dei progetti di razzi ultraleggeri di maggior successo e conosciuti può essere considerato il veicolo di lancio "Electron" della società americana-neozelandese Rocket Lab. Questo razzo a due stadi con una massa di 12.550 kg è in grado di lanciare 250 kg di PS o 150 kg di PS in un'orbita eliosincrona (SSO) con un'altitudine di 500 chilometri in LEO. La società prevede di lanciare fino a 130 missili all'anno.
Il design del razzo è realizzato in fibra di carbonio; i motori a reazione a propellente liquido (LRE) sono utilizzati su una coppia di carburante di cherosene + ossigeno. Per semplificare e ridurre i costi di progettazione, utilizza batterie ai polimeri di litio come fonte di alimentazione, sistemi di controllo pneumatico e un sistema per spostare il carburante dai serbatoi, funzionante con elio compresso. Nella produzione di motori a razzo a propellente liquido e altri componenti per razzi, vengono utilizzate attivamente tecnologie additive.
Si può notare che il primo razzo di Rocket Lab è stato il razzo meteorologico Kosmos-1 (Atea-1 in lingua Maori), capace di sollevare 2 kg di carico utile ad un'altitudine di circa 120 chilometri.
Lin industriale
L'"analogo" russo di Rocket Lab può essere chiamato la società "Lin Industrial", che sviluppa progetti sia per il più semplice razzo suborbitale in grado di raggiungere un'altitudine di 100 km, sia per lanciare veicoli progettati per inviare carichi utili a LEO e SSO.
Sebbene il mercato dei missili suborbitali (principalmente come i razzi meteorologici e geofisici) sia dominato da soluzioni con motori a combustibile solido, Lin Industrial sta costruendo il suo razzo suborbitale basato su motori a razzo a combustibile liquido alimentati a cherosene e perossido di idrogeno. Molto probabilmente ciò è dovuto al fatto che Lin Industrial vede la sua principale direzione di sviluppo nel lancio commerciale del veicolo di lancio in orbita e che è più probabile che il razzo suborbitale a propellente liquido venga utilizzato per sviluppare soluzioni tecniche.
Il progetto principale di Lin Industrial è il veicolo di lancio ultraleggero Taimyr. Inizialmente il progetto prevedeva un layout modulare con disposizione serie-parallelo dei moduli, che consente la formazione di un lanciatore con la possibilità di erogare a LEO un carico utile da 10 a 180 kg. La modifica della massa minima del veicolo di lancio lanciato doveva essere assicurata modificando il numero di unità missilistiche universali (UBR) - URB-1, URB-2 e URB-3 e l'unità missilistica RB-2 di terzo stadio.
I motori del veicolo di lancio Taimyr devono funzionare a cherosene e acqua ossigenata concentrata; il carburante deve essere alimentato per dislocamento con elio compresso. Si prevede che il progetto utilizzerà ampiamente materiali compositi, tra cui plastica rinforzata con fibra di carbonio e componenti stampati in 3D.
Successivamente, la società Lin Industrial abbandonò lo schema modulare: il veicolo di lancio divenne a due stadi, con una disposizione sequenziale di gradini, a seguito della quale l'aspetto del veicolo di lancio Taimyr iniziò ad assomigliare all'aspetto del veicolo di lancio Electron di Laboratorio di razzi. Inoltre, il sistema di spostamento sull'elio compresso è stato sostituito dall'alimentazione di carburante mediante elettropompe alimentate da batterie.
Il primo lancio del Taimyr LV è previsto per il 2023.
IHI Aerospace
Uno dei veicoli di lancio ultraleggeri più interessanti è il razzo a propellente solido a tre stadi SS-520 giapponese prodotto da IHI Aerospace, creato sulla base del razzo geofisico S-520 aggiungendo un terzo stadio e un corrispondente perfezionamento dei sistemi di bordo. L'altezza del razzo SS-520 è di 9,54 metri, il diametro è di 0,54 metri, il peso di lancio è di 2600 kg. La massa del carico utile consegnata a LEO è di circa 4 kg.
Il corpo del primo stadio è in acciaio ad alta resistenza, il secondo stadio è in composito di fibra di carbonio, il cupolino è in fibra di vetro. Tutti e tre gli stadi sono combustibili solidi. Il sistema di controllo dell'SS-520 LV viene periodicamente acceso al momento della separazione del primo e del secondo stadio e il resto del tempo il razzo viene stabilizzato mediante rotazione.
Il 3 febbraio 2018, l'SS-520-4 LV ha lanciato con successo un cubesat TRICOM-1R con una massa di 3 chilogrammi, progettato per dimostrare la possibilità di creare veicoli spaziali da componenti elettronici di consumo. Al momento del lancio, l'SS-520-4 LV era il veicolo di lancio più piccolo al mondo, registrato nel Guinness dei primati.
La creazione di veicoli di lancio ultra-piccoli basati su razzi meteorologici e geofisici a propellente solido può essere una direzione piuttosto promettente. Tali missili sono di facile manutenzione, possono essere conservati a lungo in una condizione che ne garantisca la preparazione per il lancio nel più breve tempo possibile.
Il costo di un motore a razzo può essere circa il 50% del costo di un razzo ed è improbabile che si possa raggiungere una cifra inferiore al 30%, anche tenendo conto dell'utilizzo di tecnologie additive. Nei veicoli di lancio a propellente solido, non viene utilizzato un ossidante criogenico, che richiede condizioni speciali di stoccaggio e rifornimento immediatamente prima del lancio. Allo stesso tempo, per la produzione di cariche propellenti solide, si stanno sviluppando anche tecnologie additive che consentono di "stampare" cariche di carburante della configurazione richiesta.
Le dimensioni compatte dei veicoli di lancio ultraleggeri ne semplificano il trasporto e consentono il lancio da vari punti del pianeta per ottenere l'inclinazione orbitale richiesta. Per i veicoli di lancio ultraleggeri è necessaria una piattaforma di lancio molto più semplice rispetto ai razzi "grandi", il che lo rende mobile.
Esistono progetti di tali missili in Russia e su quali basi possono essere implementati?
In URSS è stato prodotto un numero significativo di razzi meteorologici: MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR -20 e razzi geofisici - R-1A, R-1B, R-1V, R-1E, R-1D, R-2A, R-11A, R-5A, R-5B, R-5V, "Verticale", K65UP, MR-12, MR-20, MN-300, 1Ya2TA. Molti di questi progetti erano basati su sviluppi militari in missili balistici o antimissili. Durante gli anni di esplorazione attiva dell'alta atmosfera, il numero di lanci ha raggiunto i 600-700 razzi all'anno.
Dopo il crollo dell'URSS, il numero di lanci e tipi di missili è stato radicalmente ridotto. Al momento, Roshydromet utilizza due complessi: l'MR-30 con il razzo MN-300 sviluppato dall'NPO Typhoon / OKB Novator e il missile meteorologico MERA sviluppato da KBP JSC.
MR-30 (MN-300)
Il missile del complesso MR-30 fornisce il sollevamento di 50-150 kg di attrezzature scientifiche a un'altitudine di 300 chilometri. La lunghezza del razzo MN-300 è di 8012 mm con un diametro di 445 mm, il peso di lancio è di 1558 kg. Il costo di un lancio del razzo MN-300 è stimato in 55-60 milioni di rubli.
Sulla base del razzo MN-300, si sta valutando la possibilità di creare un veicolo di lancio ultra-piccolo IR-300 aggiungendo un secondo stadio e uno stadio superiore (in realtà un terzo stadio). Cioè, in effetti, si propone di ripetere l'esperienza piuttosto riuscita dell'implementazione del veicolo di lancio ultraleggero giapponese SS-520.
Allo stesso tempo, alcuni esperti esprimono l'opinione che poiché la velocità massima del razzo MN-300 è di circa 2000 m / s, quindi per ottenere la prima velocità cosmica di circa 8000 m / s, necessaria per mettere il veicolo di lancio in orbita, potrebbe richiedere una revisione troppo seria del progetto originale, che è essenzialmente lo sviluppo di un nuovo prodotto, che può portare ad un aumento del costo di lancio di quasi un ordine di grandezza e renderlo non redditizio rispetto ai concorrenti.
MISURARE
Il razzo meteorologico MERA è progettato per sollevare un carico utile del peso di 2-3 kg a un'altitudine di 110 chilometri. La massa del razzo MERA è di 67 kg.
A prima vista, il razzo meteorologico MERA è assolutamente inadatto all'uso come base per la creazione di un veicolo di lancio ultraleggero, ma allo stesso tempo ci sono alcune sfumature che rendono possibile sfidare questo punto di vista.
Il missile meteorologico MERA è un bicalibro a due stadi e solo il primo stadio svolge la funzione di accelerazione, il secondo - dopo la separazione, vola per inerzia, il che rende questo complesso simile ai missili guidati antiaerei (SAM) del Tunguska e Complessi di missili e cannoni antiaerei Pantsir (ZRPK). In realtà, sulla base dei missili per i sistemi missilistici di difesa aerea di questi complessi, è stato creato il razzo meteorologico MERA.
Il primo stadio è un corpo composito con una carica propellente solida posta al suo interno. In 2,5 secondi, il primo stadio accelera il razzo meteorologico a una velocità di 5 M (velocità del suono), che è di circa 1500 m / s. Il diametro del primo stadio è di 170 mm.
Il primo stadio del razzo meteorologico MERA, realizzato avvolgendo un materiale composito, è estremamente leggero (rispetto a strutture in acciaio e alluminio di dimensioni simili) - il suo peso è di soli 55 kg. Inoltre, il suo costo dovrebbe essere significativamente inferiore rispetto alle soluzioni in fibra di carbonio.
Sulla base di ciò, si può presumere che sulla base del primo stadio del razzo meteorologico MERA, possa essere sviluppato un modulo razzo unificato (URM), progettato per la formazione in batch di stadi di veicoli di lancio ultraleggeri
In effetti, ci saranno due di questi moduli, differiranno nell'ugello di un motore a razzo, ottimizzati, rispettivamente, per il funzionamento nell'atmosfera o nel vuoto. Al momento, il diametro massimo degli involucri prodotti da JSC KBP con il metodo di avvolgimento è presumibilmente di 220 mm. È possibile che vi sia una fattibilità tecnica per la produzione di alloggiamenti compositi di diametro e lunghezza maggiori.
D'altra parte, è possibile che la soluzione ottimale sarebbe la fabbricazione di scafi, la cui dimensione sarà unificata con qualsiasi munizione per il sistema missilistico di difesa aerea Pantsir, missili guidati del complesso Hermes o razzi meteorologici MERA, che ridurre il costo di un singolo prodotto aumentando il volume di rilascio seriale dello stesso tipo di prodotti.
Gli stadi del veicolo di lancio dovrebbero essere reclutati dall'URM, fissati in parallelo, mentre la separazione degli stadi sarà effettuata trasversalmente - non è prevista la separazione longitudinale dell'URM nello stadio. Si può presumere che gli stadi di un tale veicolo di lancio avranno una grande massa parassita rispetto a un corpo monoblocco di diametro maggiore. Questo è in parte vero, ma il peso ridotto del case realizzato in materiali compositi consente di livellare ampiamente questo inconveniente. Potrebbe risultare che una custodia di grande diametro, realizzata con una tecnologia simile, sarà molto più difficile e costosa da produrre e le sue pareti dovranno essere rese molto più spesse per garantire la necessaria rigidità della struttura rispetto a quella degli URM collegati da un pacchetto, in modo che alla fine ci sia un sacco di monoblocco e le soluzioni di pacchetto saranno paragonabili a un costo inferiore di quest'ultimo. Ed è molto probabile che una cassa monoblocco in acciaio o alluminio sia più pesante di una composita confezionata.
Il collegamento in parallelo dell'URM può essere effettuato utilizzando elementi fresati compositi piani posti nella parte superiore ed inferiore del gradino (nei punti di restringimento del corpo dell'URM). Se necessario, possono essere utilizzati ulteriori massetti in materiali compositi. Per ridurre il costo nella struttura, materiali industriali tecnologici ed economici, è necessario utilizzare il più possibile adesivi ad alta resistenza.
Allo stesso modo, gli stadi BT possono essere interconnessi da elementi tubolari compositi o di rinforzo, e la struttura può essere non separabile, quando gli stadi sono separati, gli elementi portanti possono essere distrutti dalle cariche pirotecniche in modo controllato. Inoltre, per aumentare l'affidabilità, le cariche pirotecniche possono essere localizzate in più punti sequenziali della struttura portante ed essere avviate sia per accensione elettrica che per accensione diretta dalla fiamma dei motori dello stadio superiore, quando vengono accese (per tiro lo stadio inferiore se l'accensione elettrica non funzionava).
Il veicolo di lancio può essere controllato allo stesso modo del veicolo di lancio ultraleggero giapponese SS-520. L'opzione di installare un sistema di controllo radiocomando, simile a quello installato sul sistema missilistico di difesa aerea Pantsir, può essere considerata anche per correggere il lancio del veicolo di lancio almeno su una parte della traiettoria di volo (ed eventualmente in tutte le fasi della il volo). Potenzialmente, ciò ridurrà la quantità di costose apparecchiature a bordo di un razzo monouso trasportandolo su un veicolo di controllo "riutilizzabile".
Si può presumere che, tenendo conto della struttura di supporto, degli elementi di collegamento e del sistema di controllo, il prodotto finale sarà in grado di fornire a LEO un carico utile che pesa da diversi chilogrammi a diverse decine di chilogrammi (a seconda del numero di moduli missilistici unificati nelle fasi) e competere con l'ultraleggero giapponese SS-LV.520 e altri simili veicoli di lancio ultraleggeri sviluppati da società russe e straniere.
Per il successo della commercializzazione del progetto, il costo stimato per il lancio del veicolo di lancio ultraleggero MERA-K non dovrebbe superare i $ 3,5 milioni (questo è il costo di lancio per il veicolo di lancio SS-520).
Oltre alle applicazioni commerciali, il veicolo di lancio MERA-K può essere utilizzato per il ritiro di emergenza di veicoli spaziali militari, le cui dimensioni e peso diminuiranno gradualmente.
Inoltre, gli sviluppi ottenuti durante l'implementazione del veicolo di lancio MERA-K possono essere utilizzati per creare armi avanzate, ad esempio un complesso ipersonico con una testata convenzionale sotto forma di un aliante compatto, che viene lasciato cadere dopo il lancio del lancio veicolo al punto più alto della traiettoria.
