Павел Булат

заместитель руководителя рабочей группы Аэроспейснет НТИ

Все публикации эксперта

30.04.2020

Как сделать сверхлегкую ракету коммерчески эффективной

Надежды нет! — вот в этом и надежда!
«Буря» (Уильям Шекспир)



Ранее я рассмотрел рынок сверхлегких ракет-носителей (СЛРН) и показал, что он его размер немал, а также изложили рыночные требования к СЛРН и то, как их можно удовлетворить в рамках сотрудничества частных компаний и Роскосмоса. Осталось ответить на самый главный вопрос: «А мы, собственно, кто в этом мире и что у нас есть за душой?» Наше место на свалке истории или мы еще повоюем? Есть ли у нас понимание, как сделать СЛРН коммерчески эффективной? И есть ли в России необходимый научно-технический задел. Для ответов на эти вопросы сначала необходимо рассмотреть самые передовые проекты на рынке и только потом отправляться в погоню за лидером, трезво взвесив наличие и качество научно-технического задела и кадров.  

«В мире сотни стартапов, куда вы лезете…»?

Сколько реальных проектов на глобальном рынке? Приходится часто слышать высказывания, что в мире запущены сотни стартапов, у них все в порядке с деньгами, поэтому российским университетам, частным фирмам уже ничего не светит. Если посчитать все «мурзилки» и «веселые картинки» из Youtube, то, может, их и сотни. Но если принимать в расчет реальные проекты, то в производстве их 6, на стадии «бумажного» технического проекта — 39 (таблица 1), в «прожектах» — 44 (таблица 2). Любопытно, что первые 6 проектов, доведенных до стендовых и летных образцов, все прошли через стадию контрактов NASA и DARPA. Это ответ нашим «визионерам», раз за разом, предлагающим искать деньги на рынке. 

Blog_3_3.png
   

Таблица 1


Blog_3_4.png

Таблица 2


Проектные характеристики СЛРН-стартапов. Целевой функцией всех проектов является стоимость выведения на орбиту полезной нагрузки (ПН), для актуальных проектов — см. на рис. 1. Овалом отмечена область проектов модернизации геофизических ракет. Черным пунктиром — область СЛРН, серым — ракет-носителей (РН) легкого класса, типа того, что разрабатывает компания «Космокурс» или Firefly Aerospace. Существуют также попытки обойти проблемы создания СЛРН за счет применения нестандартных технических решений и разных чудачеств типа запуска ракеты с воздушного шара.
 
Blog_3_2.png

Рисунок 1

Как я писал ранее в статье 2, СЛРН отличаются сравнительно низким уровнем конструктивного (весового) совершенства. Если модернизировать геофизические ракеты, то выводимая на орбиту ПН будет меньше 50-100 кг, а цена высокой (рис.1). На рис. 2 показаны расчетные цены выведения 1 кг ПН у пяти команд, еще недавно считавшихся лидерами, в сравнении со «старой» СЛРН воздушного старта Pegasus XL. Сейчас среди лидеров осталась только фирма RocketLab.

Blog_3_1.png   

Рисунок 2

Как видно из рисунка, стоимость воздушного старта в разы выше, чем наземного. 20 лет назад глубоко был проработан проект «Скиф» — запуск жидкостной ракеты с Ту-22М3. Сегодня вполне можно представить себе запуск межконтинентальной баллистической ракеты «Тополь» без первой ступени с Ту-160. Плюсом такого проекта было бы наличие серийного производства обоих компонентов и скорое списание первых построенных образцов, которые можно было бы использовать условно бесплатно. Далее мы воздушный старт рассматривать не будем, т. к. стартапам в России он не по силам, и имеется множество технических и иных проблем.

Наш ответ RocketLab

Текущий мировой уровень техники. Как только на рынке были произведены первые пуски СЛРН Electron, недавние лидеры поутихли, поскольку стало ясно, что сделать стоимость выведения ниже, чем у RocketLab, не получится. А RocketLab уже опубликовала фото следующей версии ракеты Electron с двумя разгонными боковыми блоками.

EUigJx9U8AA3Vl8.jpg

Ракета Electron с двумя разгонными боковыми блоками. Фото: пресс-служба RocketLab


И только компания Astra (ранее известная как Ventions LLC), вполне себя уверенно чувствующая на контрактах NASA и DARPA в рамках проектов ALASA (воздушный старт микроспутников) и SALVO (Small Air Launch Vehicle to Orbi), объявила о подготовке к пуску своей СЛРН Rocket 3.0.

astra1-730x430.jpeg

СЛРН Rocket 3.0. Фото: пресс-служба компании Astra

 
Эти два проекта олицетворяют сегодня наивысший уровень техники. Они одновременно являются близнецами и антиподами.

Обе ракеты оснащены жидкостными ракетными двигателями (ЖРД), которые работают на топливной паре керосин — жидкий кислород и используют электронасосные агрегаты (ЭНА) отдельно для горючего и окислителя.

Rutherford-Photo2.jpg

ЖРД Rutherford Vac (Резерфорд) ракеты RocketLab Electron (синий — насос окислителя, красный — насос горючего)

По словам лидера компании RocketLab Питера Бека, применение ЭНА с приводом от аккумуляторных батарей (АКБ) было еще 4-5 лет назад невозможным. Но бурный прогресс в области литий-ионных батарей всё изменил.

Rutherford стал первым ЖРД с ЭНА и первым ЖРД, почти целиком отпечатанным на 3D-принтере из сплава Inconel. На первой ступени установлено девять Rutherford RF-1, каждый из которых оснащен двумя ЭНА мощностью по 37 кВт. Масса тринадцати АКБ первой ступени не сообщается, но её можно оценить из следующих соображений. 

Максимальная потребляемая мощность 9 х 37 х 2 = 666 кВт. В прессе сообщалось, что мощность батареи составляет более 1 МВт. Видимо, мощность взята с запасом — с учетом того, что напряжение батареи и её мощность падают в процессе разрядки. Время работы первой ступени — около 155 с, следовательно, затраты энергии 666 х 155/3600 = 28,7 кВт•час. Максимальная удельная мощность в серийных изделиях достигает 2 кВт/кг. Таким образом, по максимальной мощности мы получаем оценку снизу около 333 кг. Литиевые элементы питания имеют удельную емкость 0,15-0,3 кВт•час/кг. При полуторном запасе емкости по мощности получается около 300 кг. Итого: каждая батарея весит 25-27 кг. Хотя в прессе проскакивала цифра 100 кг.

Stage-2-2.jpg

Вторая ступень с Rutherford RF-2

На второй ступени установлен двигатель Rutherford RF-2, который отличается от RF-1 только высотным соплом. Сообщается, что на второй ступени — три батареи, две из которых отстреливаются по истечении пятой минуты полёта. Учитывая, что вся вторая ступень весит 250 кг, также можно предположить, что на ракете используются покупные АКБ и они одинаковые, масса АКБ в 25-30 кг выглядит правдоподобной, а 100 кг — это точно ошибка. 

Что еще из интересного используется в двигателе? Судя по всему, давление в камере сгорания более 150 бар, т. к. сообщается, что насосы могут изменять давление подачи в диапазоне от 100 до 200 бар. Удельный импульс на старте 303 с при тяге 18 кН, в пустоте — 333 с и 22 кН. Это высокие показатели для такого маленького ЖРД.

Корпус СЛРН Electron сделан из углеволокна методом намотки. Такое решение давно является традиционным на ракетах с двигателями на твердом топливе (РДТТ), но для жидкостных ракет на криогенных компонентах ранее оно не встречалось. Применение углеволокна позволило добиться уровня конструктивного совершенства >10, т. е. как у «Союза 2.1в», что для СЛРН является очень хорошим показателем. 

Корпус ракеты фирма делает на своем заводе сама, а всё остальное покупное. Остался открытым вопрос: как фирма решила проблему появления микротрещин в углепластиковых баках при контакте с жидким кислородом? Обычно баки выстилают специальным материалом — лайнером, но это ведет к существенному утяжелению баков. 

Разработчики ракеты Astra Rocket 3.0 демонстрируют более консервативный, но в целом похожий подход. Ракета меньше, легче и выводит на низкую орбиту до 500 км всего 150 кг ПН вместо 250 кг у Electron. Двигатели первой ступени Dеlphin также, как у Electron, работают на керосине и жидком кислороде, оснащены ЭНА, имеют тягу 140 кН. На первой ступени их пять. На второй ступени используется один ЖРД Aether.
 
3D-печать при производстве ЖРД применяется в ограниченном количестве, т. к. разработчики считают её дорогой, экономически неоправданной технологией. Отказались они и от углепластика в пользу алюминиевых сплавов, но, как сообщается, толщина листов существенно уменьшена. Возможно, это сделано за счет увеличения давления наддува баков, как на советских баллистических ракетах 60-х годов. Там наддув использовался для обеспечения устойчивости конструкции при больших ускорениях на старте. Увеличение давления наддува заставляет предполагать какое-то ноу-хау у Astra.
 
За счет описанных выше мероприятий компания надеется уменьшить стоимость пуска с $4,5 млн у RocketLab до $2,5 млн. Запустить ракету пока не удалось, намеченный на 29 февраля старт был отменен. DARPA считает СЛРН Astra «своим» проектом и активно участвует в его судьбе.

Можем ли мы в России превзойти RocketLab? Можно уверенно сказать, что уже сегодня в России можно создать ЖРД, полностью изготовленный методом 3D-печати, причем он может быть дешевле за счет применения нетрадиционных аддитивных технологий, ориентированных на изготовление преимущественно тел вращения. Такая технология, названная технологией прямого лазерного выращивания, была разработана в СПбПУ им. Петра Великого под руководством Г. А. Туричина (ныне ректор СПбГМТУ). Печать на порядок дешевле метода SLS (селективное лазерное спекание). Ограничений на габариты нет.
    
454.jpg

Обечайка диаметром 1,5 м, отпечатанная методом прямого лазерного выращивания 

565.jpg

Процесс изготовления обечайки на отечественном 3D-принтере Института лазерных и сварочных технологий Санкт-Петербургского государственного морского технического университета 

Для печати традиционным SLM-методом необходимо изготовить большой 3D-принтер. Сегодня это могут сделать как минимум три компании: «Лазерные системы» (Санкт-Петербург, Анатолий Борейшо), «Аддитив Сольюшн» (Москва, Максим Бурмистров), Russian SLM FACTORY (Санкт-Петербург, Денис Власов). 

Намотка корпуса из углеволокна освоена многими фирмами и при соответствующем оборудовании не сложнее изготовления спиннинга. Композитные конструкции серийно производятся, например, для РН «Протон». 

Конструкции большей сложности, содержащие ажурные каркасы, сетчатые конструкции с металлическими замками, многослойное армирование и 3D-силовые структуры, создаются на кафедре СМ-13 МГТУ им.Баумана, фирмой «Анизопринт» (Сколково) и в ЦНИИСМ.
    
232.jpg

343.jpg

Конструкции, созданные на кафедре СМ-13 «Ракетно-космические композитные конструкции» факультета специального машиностроения МГТУ им. Баумана

В России имеются литий-ионные регулируемые батареи мощностью до 100 кВт, которые штучно производит Миландр-СМ (Зеленоград) вместе с контроллерами для управления электродвигателями. Причем эти АКБ высоковольтные, с напряжением 126В. Экспериментальные обратимые машины на 40 тыс. об./мин. испытаны в Университете ИТМО, в компаниях «Проблемная лаборатория Турбомашины» (Санкт-Петербург), в ЭРГА (Калуга). ЭНА разрабатываются в «ВНХ-Энерго» (Санкт-Петербург). Заявленные характеристики не хуже, чем в комплектующих двигателя Rutherford, цены тоже вряд ли будут выше. 
 
Системы автоматического управления (САУ), которые могут служить прототипом для создания САУ СЛРН, разрабатываются и выпускаются, например, НПП «Дозор» (концерн КЭМЗ, Москва, Кизляр). Сам ЖРД тягой до 1,7 кН может быть быстро разработан центром компетенций по ракетным двигателям, который создается сейчас на базе кафедр двигателей БГТУ «ВОЕНМЕХ» и ВГТУ (Воронеж).

Остается открытым вопрос космодрома, т. к. требуется стартовый комплекс, способный заправлять ракету криогенными компонентами. Наработки и оборудование остались от «Морского старта» в Выборге, полунатурный стенд, имитирующий стартовый комплекс «Морского старта», имеется на кафедре А4 БГТУ «ВОЕНМЕХ». Остались и компетенции по автоматизации предстартовой подготовки и заправки ракеты. 

Но даже без космодрома расчеты показывают, что себестоимость запуска ракеты — аналога RocketLab будет на уровне $2,5 млн. Это дорого.

Единственное, что можно попытаться выиграть, — это замена литий-ионных АКБ на экспериментальные литий-серные (удельная емкость в 5-10 раз выше). Максимальный задокументированный ток разряда в лабораторной установке составлял 3С для удельной энергии около 1 кВт∙ч/кг, при использовании наноуглерода — до 10 кВт/кг, как у коммерческих суперконденсаторов. Такие решения позволят сэкономить на АКБ первой ступени до 150 кг. И это всё. Существенно превзойти RocketLab на доступных коммерческих технологиях невозможно. Нужны инновации.

Заключение

По итогам рассмотрения материалов можно сделать несколько важных выводов принципиального характера. Рынок, как было показано в статье 1, у СЛРН есть. На этот рынок пока реально претендует всего две команды: RocketLab и Astra, которые задали рамки техническим и финансовым показателям. Это полезная нагрузка от 150 до 240 кг при стоимости выведения от $2,5 млн до $4,5 млн.

Уровень научно-технического задела в России позволяет повторить как СЛРН Electron, так и СЛРН Astra, но без существенных инноваций характеристики будут сопоставимыми. Превзойти эти ракеты на общедоступных технологиях невозможно. Следовательно, нужен пилотный заказчик, который выберет российскую ракету при любых условиях. Таким заказчиком может быть Роскосмос. Либо нужны реальные инновации.

Наконец, все известные успешные стартапы были основаны командами, существующими на рынке уже 15-25 лет, выращенными на контрактах с NASA и DARPA, суммы которых превышают бюджет создания СЛРН и выведения её на рынок. Это серьёзный фактор, повышающий риск выхода на рынок для российских команд, которые последние 25 лет сидели на голодном пайке.

В последующих материалах будут рассмотрены проекты, в которых команды попытались уклониться от конкуренции с RocketLab, а также проекты, основанные на новых технических идеях. Будут проанализированы различные перспективные технологии, потенциально применимые в СЛРН.


#Аэроспейснет, #ракета, #космос

Мероприятия НТИ

Подписка на обновления

«Информбюро 20.35» делает почтовую рассылку самых интересных публикаций один раз в неделю. Чтобы подписаться на нее, зарегистрируйтесь или войдите через свою учетную запись на платформе leader-id.ru.