Lo stato non ha bisogno di un veicolo di lancio super potente, ma di una flotta SV
Come sapete, il documento principale che definisce gli interessi dello stato, i principali obiettivi, priorità e compiti della Russia nel campo della ricerca, dell'esplorazione e dell'uso dello spazio esterno, è stato approvato dal presidente della Federazione Russa Vladimir Putin nell'aprile 2013 "Fondamenti della politica statale della Federazione Russa nel campo delle attività spaziali per il periodo fino al 2030 e oltre".
In conformità con questo documento, le priorità principali sono garantire l'accesso garantito della Russia allo spazio dal suo territorio con lo sviluppo e l'uso di tecnologie, tecnologie, opere e servizi spaziali nell'interesse della sfera socio-economica e della difesa del paese, nonché come la sicurezza dello Stato; la creazione di risorse spaziali nell'interesse della scienza; attività relative all'implementazione di voli con equipaggio, compresa la creazione di basi scientifiche e tecniche per l'implementazione di voli con equipaggio verso pianeti e altri corpi del sistema solare nel quadro della cooperazione internazionale.
L'attuazione di questi obiettivi è assicurata attraverso l'uso e lo sviluppo del potenziale scientifico, tecnico e produttivo esistente per la creazione di promettenti veicoli di lancio, rimorchiatori interorbitali, sistemi target e di servizio di veicoli spaziali automatici (SC), veicoli spaziali con equipaggio di nuova generazione, elementi infrastrutturali per attività nello spazio profondo e tecnologie innovative per risolvere problemi mirati e tecnologie di produzione.
Il risultato sarà la conservazione dello status della Russia come una delle principali potenze spaziali, conferma dell'autosufficienza nel supportare le proprie attività spaziali attraverso l'intero spettro di compiti che richiedono la creazione di una costellazione orbitale di veicoli spaziali basata su un sistema economicamente efficiente flotta di veicoli di lancio russi.
La necessità di mantenere una posizione stabile e competitiva nel mercato dei servizi di lancio è un incentivo a migliorare gli indicatori tecnici ed economici degli aerei, principalmente per aumentare le loro capacità energetiche.
Tutti questi fattori si sono manifestati più chiaramente nell'esempio del prodotto di maggior successo economico della cosmonautica russa: il veicolo di lancio di classe pesante "Proton". È stato il lancio del razzo Proton nel mercato internazionale dei servizi di lancio e il suo costante aggiornamento che ha permesso ai GKNPT im. MV Khrunichev per sopravvivere negli anni '90 e "zero" e mantenere la cooperazione industriale, garantendo il mantenimento del gruppo orbitale russo di veicoli spaziali e la partecipazione a progetti internazionali.
Carico utile su bilance da competizione
Per determinare quale SV sviluppare nell'FKP-2025, è necessario comprendere che le capacità energetiche del veicolo di lancio sono determinate dalla massa del carico utile lanciato nell'orbita di lavoro. Spesso, anche se non del tutto corretto, quando si valuta l'energia LV, viene utilizzata un'orbita terrestre bassa con un'altitudine di 200 chilometri e un'inclinazione pari alla latitudine del punto di lancio. Per il funzionamento della navicella, questa orbita non è utilizzata come orbita funzionante, perché, a causa della decelerazione dell'atmosfera, il tempo di esistenza della navicella su di essa non supera la settimana. Tra la varietà di veicoli spaziali, il mercato più costoso e ad alta intensità di risorse per i veicoli spaziali per telecomunicazioni che operano in orbita geostazionaria.
Ci sono due caratteristiche dei lanci commerciali di veicoli spaziali per telecomunicazioni. La massa dei veicoli spaziali commerciali sta crescendo più velocemente di quelli lanciati nell'ambito dei programmi federali. Ma come puoi vedere dal grafico, anche la massa dei veicoli spaziali commerciali è tutt'altro che illimitata e per il loro lancio non è affatto necessaria una classe super pesante LV (STK LV) del tipo SLS.
Ci sono anche differenze nella progettazione balistica dei lanci commerciali. È successo che i veicoli spaziali stranieri, a differenza di quelli domestici, non sono stati messi immediatamente in un'orbita geostazionaria, ma in una "orbita di trasferimento geografico standard" ad alto apogeo intermedio. La navicella, separata dalla LV su di essa, dopo una sosta balistica di circa cinque ore all'apogeo dell'orbita, con l'ausilio del proprio sistema di propulsione, elabora un impulso che assicura la formazione di un'orbita geostazionaria. Tenendo conto del consumo di carburante, la massa del carico utile lanciato nell'orbita di trasferimento geosincrona intermedia dovrebbe essere circa 1,6 volte maggiore rispetto all'orbita di lavoro, cioè quella geostazionaria.
Ma torniamo a Proton - solo la necessità di mantenere la competitività nel mercato dei servizi di lancio è diventata la ragione per realizzare quattro fasi della sua modernizzazione a spese dei fondi provenienti dai lanci commerciali del Proton LV - dalla versione iniziale di Proton-K a Proton-M e lo sviluppo per il veicolo di lancio Proton del nuovo Upper Stage (RB) Briz-M, che ha permesso di aumentare la massa del carico utile consegnato all'orbita geostazionaria da 2, 6 a 3,5 tonnellate e al geostazionario orbita di trasferimento - da 4,5 a 6, 3 tonnellate. Ma non importa quanto sia buono il vettore Proton, i suoi lanci non vengono effettuati dal territorio della Russia. Problemi anche con la fornitura di carburante per Proton, un eptile altamente tossico utilizzato sui missili militari e appartenente alle sostanze della prima, più alta classe di pericolosità.
La leadership del paese ha assegnato all'industria il compito di garantire l'accesso garantito allo spazio dal suo territorio: i lanci di veicoli spaziali dovrebbero essere effettuati da razzi sviluppati e prodotti in Russia. Inoltre, è necessario migliorare la sicurezza ambientale dei lanci eliminando l'uso di combustibili tossici.
Questi compiti dovrebbero essere risolti dal programma per la creazione di un veicolo di lancio di classe pesante "Angara", che assicurerà il lancio garantito di veicoli spaziali per telecomunicazioni e meteorologici e veicoli spaziali nell'orbita geostazionaria, garantendo la difesa e la sicurezza dello stato.
Sfortunatamente, il veicolo di lancio "Angara" è stato creato per un periodo piuttosto lungo. Il decreto del governo della Federazione Russa sullo sviluppo di un progetto di un complesso di razzi spaziali (SRS) di una classe pesante è stato adottato sulla base dei risultati di una competizione tenutasi 22 anni prima del primo lancio del LV. I finanziamenti reali per il programma sono iniziati dopo il 2005. Ha permesso di condurre con successo due lanci di prova nel 2014 e di programmare i lanci di LV con payload target a partire dal 2016. Quando lanciato dal cosmodromo di Plesetsk, le capacità energetiche del veicolo di lancio Angara-A5 con un criogenico RB KVTK garantiranno il lancio di un carico utile di 4,5 tonnellate in un'orbita geostazionaria e 7,5 tonnellate in un'orbita geostazionaria standard (quando si utilizza il Briz -M RB - 2, 9 e 5, 4 tonnellate, rispettivamente).
Quando la navicella spaziale Angara sarà schierata al cosmodromo Vostochny, le capacità energetiche del veicolo di lancio Angara-A5 con un RB ossigeno-idrogeno del KBTK garantiranno il lancio di un carico utile fino a cinque tonnellate in un'orbita geostazionaria, e fino a otto tonnellate in un'orbita geostazionaria. Questa riserva di energia è sufficiente nel prossimo futuro per il lancio di veicoli spaziali nell'ambito dei programmi federali, ma non consente di competere per il lancio di veicoli spaziali della fascia di prezzo superiore con nuovi veicoli di lancio stranieri di classe pesante con un carico utile maggiore - Delta-IVH, Ariane-5ECA e Atlas -5. In particolare, il veicolo di lancio Atlas-5 della serie 500 lancia fino a 8,7 tonnellate nell'orbita di trasferimento geografico, e il più potente dei veicoli di lancio utilizzati per lanciare il veicolo spaziale del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti (Delta-IVH) prevede il lancio di un carico utile con una massa fino a 13 nell'orbita di trasferimento geografico 1 ton.
Dopo un'analisi completa delle priorità e dei requisiti per le capacità energetiche dei veicoli terrestri, nonché dello stato del mercato dei servizi spaziali, l'STC di Roskosmos ha stabilito che per risolvere i problemi nello spazio, compreso il lancio di promettenti veicoli spaziali con un massa di almeno sette tonnellate in un'orbita geostazionaria e 12 tonnellate in un'orbita geostazionaria, Un veicolo di lancio in grado di posizionare almeno 35 tonnellate di carico utile in un'orbita terrestre bassa.
Un tale veicolo di lancio - "Angara-A5V" può essere creato sostituendo il terzo stadio ossigeno-cherosene del veicolo di lancio "Angara-A5" con lo stadio ossigeno-idrogeno di nuovo design. Il veicolo di lancio "Angara-A5V" è unificato al massimo con il veicolo di lancio "Angara-A5" creato, anche in termini di infrastrutture spaziali a terra. In termini di capacità energetiche, il veicolo di lancio Angara-A5V corrisponderà ai veicoli di lancio stranieri attualmente sviluppati con un maggiore carico utile come Ariane-6 (Europa), Vulcan (USA), CZ-5 (Cina) e N-3 (Giappone) e garantirà nel prossimo futuro la competitività dei veicoli spaziali di classe pesante russi nel mercato mondiale dei servizi spaziali.
I nostri veicoli di lancio pesanti "Proton-M" e "Angara-A5" con motori a razzo a propellente liquido (LPRE) sono commisurati ai veicoli di lancio stranieri sia nel rapporto spinta-peso che nelle masse del carico utile lanciati in orbite specificate.
Gas o senza gas
Attualmente, la flotta di SV nazionali è composta dal veicolo di lancio di classe leggera Rokot, dal veicolo di lancio di classe media Soyuz con il lanciamissili Fregat e dal veicolo di lancio di classe pesante Proton con i lanciamissili DM e Briz-M.
Nel prossimo futuro, i veicoli di lancio "eptile" "Rokot" e "Proton" sostituiranno i veicoli di lancio ecologici della famiglia "Angara". Allo stesso tempo, si prevede di migliorare la tecnologia e ridurre il costo dei veicoli di lancio seriali Angara-A5. Sono inoltre previsti lavori per sostituire l'"eptile" RB "Fregat" con un RB "ML" di piccole dimensioni utilizzando componenti ecocompatibili. Si prevede inoltre di sostituire il veterano della missilistica domestica del veicolo di lancio Soyuz con un promettente veicolo di lancio di classe media, che viene creato come parte del lavoro di sviluppo di Phoenix. Durante il suo sviluppo, si prevede di implementare tecnologie promettenti che garantiscano un aumento delle caratteristiche operative, incluso l'uso di gas naturale liquefatto (GNL) come combustibile per missili.
Spazio aperto
Perché il GNL è interessante? Il vantaggio principale è la fondamentale possibilità di ridurre il costo del sistema di propulsione (PS) del veicolo di lancio a causa di una radicale diminuzione della pressione di esercizio nella camera di combustione del motore (da 250-260 a 160-170 atmosfere) con un leggero (≈4%) aumento dell'impulso specifico del vuoto. Un aumento di quest'ultimo parametro consente di mantenere il livello raggiunto di caratteristiche energetiche e di massa degli stadi BT, nonostante la densità del GNL sia la metà di quella del kerosene. Una caratteristica dei motori a razzo a propellente liquido alimentati a GNL è la possibilità di sviluppare un motore di uno schema di recupero, meno incline al rapido sviluppo esplosivo di situazioni di emergenza. In generale, valutazioni tecniche ed economiche preliminari mostrano che è possibile aspettarsi una diminuzione del costo dei sistemi di propulsione per GNL di circa 1,5 volte rispetto ai sistemi di propulsione basati su motori a razzo a cherosene ad alta pressione esistenti, che aumenterà la competitività dei veicoli di lancio.
Valutando l'esperienza di creazione di un veicolo di lancio super pesante, va notato che Energia - Buran è senza dubbio l'apogeo della tecnologia missilistica domestica, un programma eccezionale in termini di organizzazione, concentrazione di risorse, risultati nello sviluppo di nuove strutture strutturali e termiche -materiali di schermatura, padronanza delle tecnologie per la creazione di potenti motori a cherosene e idrogeno, produzione e trasporto di grandi volumi di idrogeno liquido, aerodinamica ipersonica, ecc. L'intero paese ha lavorato per questo, ma lo stato non aveva i mezzi, le forze e gli obiettivi da schierare questo sistema spaziale in orbita. Allo stesso tempo, in 10 anni di lavoro sulla creazione del complesso "Energia" - "Buran", sono stati spesi più di un terzo dei fondi stanziati per le attività spaziali, che hanno influito sull'efficacia dell'implementazione delle altre sue aree.
Durante questo periodo, l'Agenzia spaziale europea (ESA) ha sviluppato e ha iniziato a lanciare Ariane-4 di classe media LV. La società Arianspace con questo razzo ha occupato più della metà del mercato dei lanci commerciali in orbita di geotransfert e, dopo aver guadagnato denaro, ha creato il veicolo di lancio di classe pesante Ariane-5, che garantisce ancora l'attuazione dei programmi spaziali dell'ESA e detiene oltre il 40 percento del mercato mondiale dei servizi di lancio.
Il quotidiano "VPK" (n. 27) ha scritto: "… Il Pentagono dovrebbe provare un senso di profonda soddisfazione, osservando come la Russia viene allontanata sempre più dalla creazione di moderni veicoli di lancio super pesanti", ma stima mostrano che tutti i compiti militari nel prossimo futuro il Pentagono risolverà, utilizzando i veicoli di lancio di una classe pesante del tipo Delta IVH e Atlas-5, e non il veicolo di lancio SLS, creato per i voli interplanetari. Non è corretto confrontare le capacità energetiche del veicolo di lancio Angara-A5 da 25 tonnellate e del veicolo di lancio SLS da 130 tonnellate - è come dire: "Un dumper da 130 tonnellate è più fresco di KamAZ e Gazelle non è una macchina a Tutti." Niente affatto: qualsiasi veicolo - un'auto o un razzo, per essere efficace, deve essere utilizzato vicino al limite superiore delle sue capacità energetiche. Se il veicolo di lancio viene guidato a vuoto, il costo unitario di lancio del carico utile aumenta e questo è uno dei principali indicatori dell'efficienza del veicolo di lancio. Pertanto, lo stato non ha bisogno di un veicolo di lancio super potente, ma di una flotta bilanciata in modo ottimale di SV di vari carichi utili per carichi utili specifici. Se non ci sono tali payload per la LV, allora si rischia di condividere il destino di Energia. A proposito, è significativo che due razzi Saturn-5 alla fine della missione sulla luna siano stati inviati dalla NASA e dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti a un museo senza trovare un carico utile per loro.
La questione dell'uso mirato del veicolo di lancio STK è stata considerata presso l'STC di Roskosmos: sono giunti alla conclusione che non è necessario lanciare mono-cargo del peso di 50-70 tonnellate prima del 2030-2035. Le priorità dell'industria spaziale russa, ripetiamo, sono definite nei "Fondamenti della politica statale nel campo delle attività spaziali …" I compiti principali sono lo sviluppo di gruppi orbitali di veicoli spaziali per scopi scientifici, socioeconomici e duali. Ecco perché, nella direzione dello sviluppo di un veicolo di lancio super pesante, il Roskosmos NTS ha deciso fino al 2025 di limitarsi alla creazione di basi scientifiche e tecniche e allo sviluppo di tecnologie promettenti.
Bisogna ammettere che ora lo stato del gruppo orbitale russo di veicoli spaziali, per usare un eufemismo, non è il più prospero. In particolare, una costellazione di veicoli spaziali di telerilevamento terrestre (ERS) è composta da soli sette veicoli spaziali e soddisfa le esigenze dei consumatori domestici al livello del 20-30 percento, mentre le costellazioni ERS degli Stati Uniti, dei paesi europei e della Cina sono costituite da oltre 35 veicoli spaziali ciascuno, che forniscono la superficie di controllo globale della Terra, incluso nel raggio del radar. Anche in India, la costellazione di satelliti ERS comprende 17 satelliti. È qui che dovrebbero andare i fondi FKP-2025 prima di tutto: nello sviluppo di veicoli spaziali di comunicazione, navigazione, telerilevamento, meteorologia, compresi veicoli spaziali con un'elevata risoluzione spaziale per tutte le stagioni, che è particolarmente importante per la Siberia, l'estremo nord, l'Artico e l'Estremo Oriente.
Come mostrato dai calcoli balistici, una volta lanciata dal cosmodromo Vostochny, la versione ottimizzata dell'Angara-A5V LV con un RB criogenico KBTK-V aggiornato fornirà un carico utile fino a 11, 9 tonnellate in un'orbita di trasferimento geostazionaria e fino a 7, 2 tonnellate in un'orbita geostazionaria, e anche la possibilità di implementare la fase iniziale del programma lunare con equipaggio utilizzando uno schema a quattro lanci (vedi Fig.): due lanci accoppiati del LV, che forniscono una consegna separata all'orbita lunare del complesso di atterraggio e decollo lunare (LPVK) e il veicolo da trasporto con equipaggio (PTK) con il loro attracco in orbita del satellite artificiale della Luna (OISL) e il successivo atterraggio di LPVK con un equipaggio sulla superficie della Luna.
Un tipico lancio di coppia include il lancio di un carico utile in una traiettoria balistica come parte di un PTC o LPVK e un piccolo rimorchiatore interorbitale ossigeno-cherosene (MOB2), creato sulla base del rimorchiatore "DM" (MOB1), sviluppato sul base della riserva per RB KVTK. MOB1 con un peso di lancio di oltre 38 tonnellate viene lanciato secondo lo schema con lancio aggiuntivo entro il secondo lancio dell'Angara-A5V LV. Dopo l'attracco in un'orbita terrestre bassa e la messa in fase, la navicella spaziale interorbitale lunare assemblata viene prima messa in un'orbita altamente ellittica grazie alla potenza di MOB1. Dopo aver esaurito il carburante, l'idrogeno MOB1 viene separato e il cherosene MOB2 completa la formazione della traiettoria di partenza. Inoltre, MOB2 fornisce la correzione della traiettoria durante il volo verso la Luna e il trasferimento del carico utile nell'orbita circumlunare. Il progetto FKP-2025 prevede il lavoro sui fondi indicati.
Certo, lo schema multi-lancio è piuttosto complicato, richiede il massimo coordinamento: il team di partenza deve lavorare contemporaneamente su due lanciatori, come un orologio. Le valutazioni tecniche ed economiche preliminari mostrano che l'uso nella fase iniziale del programma lunare con equipaggio di un veicolo di lancio multiuso con un carico utile maggiore di una classe da 35 tonnellate invece di un veicolo di lancio specializzato super pesante da 80 tonnellate consentirà di ridurre i costi finanziari di oltre un ordine di grandezza e le risorse risparmiate possono essere utilizzate nell'interesse dello sviluppo del raggruppamento orbitale domestico di veicoli spaziali socio-economici, scientifici ea duplice uso.
Per quanto riguarda l'uso di booster a propellente solido (TTU) come parte del veicolo di lancio, va notato qui che i motori a razzo a combustibile solido (motori a razzo a propellente solido), rispetto ai motori a razzo a propellente liquido, hanno non solo vantaggi, ma anche svantaggi: un impulso di spinta specifico ridotto di ~ 10-30 percento, la peggiore perfezione del peso del design, rischio di incendio ed esplosione della produzione e dell'attrezzatura di una carica di carburante, limitazione del tempo di funzionamento, controllo della trazione, condizioni di temperatura all'avvio, effetti nocivi dei prodotti della combustione sull'ambiente. Inoltre, è necessario tenere conto del costo superiore del 30-40% di un veicolo di lancio con motori a razzo a propellente solido rispetto a un veicolo di lancio con motori a razzo a propellente liquido e della necessità di investire fondi significativi nello sviluppo della produzione, della tecnologia e strutture di prova per la creazione di grandi motori a razzo a propellente solido.
L'uso di grandi motori a razzo a propellente solido come parte del veicolo di lancio è stato più volte considerato in progetti domestici, ma tenendo conto dei fattori di cui sopra, sulla base del confronto delle alternative, la scelta è stata invariabilmente fatta a favore dei motori a propellente liquido. La Russia è leader nello sviluppo e nella produzione di motori a razzo da crociera, che vengono acquistati dai clienti, compresi quelli degli Stati Uniti. Nel progetto FKP-2025 si prevede inoltre di testare la tecnologia per la creazione di un propellente solido di lancio con una spinta di circa 100 tonnellate. La fattibilità dell'utilizzo di motori a razzo a propellente solido in promettenti veicoli di lancio, ad esempio nella stessa "Phoenix", sarà determinata in seguito, sulla base dei risultati di un'analisi dettagliata.
In conclusione: è chiaro che il progetto FKP-2025 può continuare a essere migliorato, tuttavia, in termini di sviluppo di veicoli di lancio, questo documento è abbastanza equilibrato, riflette lo stato reale delle cose e determina le prospettive per lo sviluppo di questo settore dell'industria fino al 2025, tenendo conto delle priorità stabilite delle attività spaziali e delle opportunità dello stato per il suo finanziamento.
