Павел Булат

заместитель руководителя рабочей группы Аэроспейснет НТИ

Все публикации эксперта

15.05.2020

Сверхлегкая ракета: когда лидер гонки уже известен

Глупцы, героя строя, бросаются вперед,
Нормальные герои всегда наоборот!
Из фильма «Айболит-66»


В первой публикации я говорил о том, что рынок у СЛРН есть. Он может быть большим. Но при условии, что ракета и выводимые ею спутники будут отвечать весьма жестким и специфичным требованиям. Они были рассмотрены во второй статье, проанализирован задел предприятий Роскосмоса и сделан вывод, что оптимальный путь – это сотрудничество частных компаний с госкорпорацией. В третьей статье я рассказал про проекты двух лидеров рынка: RocketLab и Astra Inc. Возможности промышленности страны позволяют повторить эти ракеты. Но существенно превзойти их, используя только доступные коммерческие технологии, не получится.

«Нормальные герои всегда идут в обход»

Две американские компании – RocketLab и Astra – задали рынку жесткую «вилку» между высоким конструктивным совершенством у RocketLab и низкой стоимостью пуска у Astra, что вызвало приостановку целого ряда проектов, т. к. стало очевидно: все они проигрывают одной или другой компании. Тем более, что обе компании созданы 15 лет назад и в течение не менее чем 10 лет пользовались внушительной финансовой поддержкой государства в виде контрактов от NASA и DARPA. Как же их победить? Можно придумать что-то новое, а можно уклониться от прямого столкновения с лидерами гонки.

Нельзя не упомянуть два интереснейших проекта, которые пока отстают от RocketLab и Astra по времени выхода на рынок. В этих проектах разработчики попытались уйти от прямой конкуренции с RocketLab и Astra за счет смещения в иные размерности ракеты-носителя (РН). 

РН легкого класса Alpha от Firefly Aerospace

В исходном виде Alpha была весьма модернистской разработкой, предусматривавшей использование жидкого метана в качестве горючего и сопла с внешним расширением Aerospike (рис. 1). 



Рис. 1. Первый вариант ракеты Firefly Aerospace Alpha (а) с клиновоздушными двигателем на первой (в) и второй ступени (г), а также топливом «метан + жидкий кислород» и второй, более традиционный вариант (б) с обычными кислород-керосиновыми ЖРД (д)

Благодаря применению сопла Aerospike на первой (рис.1в) и второй ступенях (рис.1г) на ракете Alpha удалось сократить потребляемое количество топлива на 25%, что даже при условии применения метана позволило уменьшить длину ракеты по сравнению с более поздним вариантом с 29 (рис.1б) до 21,2 м (рис.1а). 

Как и у RocketLab, корпус был углепластиковым, ЖРД печатались на 3D-принтере, а подача горючего и окислителя осуществлялась с помощью насосов с электроприводом (ЭНА). Ракета проектировалась на вывод на орбиту до 1 т груза при цене не более $20 тыс. / кг, формально не конкурируя с RocketLab.

«Наезд» Virgin Galactic c претензиями по поводу нарушения патента привел к банкротству и поставил крест на авангардных решениях. После банкротства Firefly Space Systems в 2015 г. её купил бизнесмен украинского происхождения Максим Поляков, переименовал компанию в Firefly Aerospace и перенес офис на «Южмаш» (г. Днепр), открыв там исследовательский центр на 150 человек. Проект был существенно переработан под традиционные компетенции КБ «Южное» (бывшее КБ «Янгеля/Уткина»). 

В 2019 году компания Firefly Aerospace подписала договор о сотрудничестве с Aerojet Rocketdyne, бывшим подразделением Boeing, на изготовление ЖРД Reaver. В целом испытания и производство осуществляется в США. От метана отказались в пользу керосина. Двигатели заменили на обычные ЖРД. В результате длина ракеты увеличилась почти на ⅓. Такова плата за отказ от прогрессивных решений.

От ЭНА также отказались в пользу обычных турбонасосных агрегатов (ТНА), чтобы облегчить «потолстевшую» ракету. Но задача спроектировать компактный ТНА, работающий на окислительном генераторном газе, оказалась непростой.

Единственный кислородно-керосиновый двигатель, созданный в КБ «Южное», – это рулевой ЖРД РД-8 второй ступени РН «Зенит». В исходном варианте с ЖРД на метане можно было использовать в ТНА восстановительный газ, т. к. метан почти не коксуется, но с переходом на керосин остается использовать только окислительный газ.

Сделать маленький ТНА на окислительном газе трудно, потому что относительная величина зазоров и давления в них при уменьшении размеров возрастает. Утечка окислительного газа – это почти гарантированная авария. Так и произошло на первых же стендовых испытаниях. Тем не менее, компания готовится к первому пуску (рис. 2), собирает заказы и планирует запускать по две такие ракеты в месяц.

Таким образом, трезво оценив уровень совершенства СЛРН Electron, компания Firefly Aerospace ушла в совсем другую размерность, сделав ракету в пять раз больше. И это получилась вполне совершенная ракета, но с непонятными рыночными перспективами, т. к. полезная нагрузка около 1 т – это достаточно нишевый сектор рынка выведения.

 

Рис. 2. Первая ступень РН Firefly Alpha

Кроме того, есть уже Electron с двумя боковыми блоками. Но в ноябре 2018 г. Firefly Aerospace попала в список компаний, отобранных NASA для программы освоения Луны с общим бюджетом $2,6 млрд. Возможно, это оказалось главным призом в гонке с RocetLab. Иногда полезно пойти другим путем. Можно найти на обходном пути массу приятных бонусов.

РН Vector-R: легче сверхлёгкого класса

Соратники Илона Маска заходят с другого края. Если явно проблематично выиграть в стоимости вывода единицы полезной нагрузки (ПН), то можно попробовать сделать пуски самыми дешевыми в абсолютном исчислении. Для этого ракета должна быть как можно меньше.

В 2017 г. компания Vector Launch, Inc. (ранее Vector Space Systems), осуществила запуск суборбитального прототипа ракеты Vector-R (Rapid). В ходе испытаний ракета поднялась на высоту 1,7 км.

Основатель Vector Launch, Inc. – Джим Кантрелл с партнерами помогали создавать Илону Маску в 2002 г. SpaceX. К этому времени команда проекта уже более 20 лет работала над тематикой ЖРД с Aerospike по контракту с NASA.

Этот проект должен был подстраховать проект клино-воздушного двигателя J-2T для одноступенчатого воздушно-космического самолета с вертикальным стартом Lockheed Martin X-33 (рис. 3) – прототипа шаттла Venture-Star с двигателем Aerospike хRS-2200 от Rocketdyne, который был конкурентом Space Shuttle.

 

а)

                                                      

 

б) 

Рис. 3. Испытания прототипа (а) клиновоздушного двигателя  J-2T воздушно-космического самолета X-33 (б)


Проект был закрыт в 2001 г., но Vector Space Systems продолжала исследования Aerospike и в 2002 г. провела успешные стендовые испытания (рис. 3а). Тогда же впервые стало известно о проекте будущей ракеты Vector-R.

Масштабные разработки СЛРН компания начала в 2016 г., когда она привлекла $1 млн частных инвестиций, а через год добавила $21 млн от Sequoia CapitalShasta Ventures and Lightspeed Venture Partners. К этому моменту у нее был готов ЖРД, работающий на топливной паре пропилен – жидкий кислород. Изначально планировалось использовать и сопло Aerospike на первой ступени, которое к тому времени отрабатывалось уже почти 15 лет.

Планировалось, что ракет будет две: Vector-R стартовой массой 5 т для выведения на орбиту 35 – 55 кг ПН и Vector-H (Heavy) для выведения на орбиту 290 кг. Проектом Vector-R за счет уменьшения ПН заданы очень жесткие стоимостные рамки. Даже в варианте Vector-H, который так и остался «прожектом», стоимость пуска была назначена существенно ниже, чем у СЛРН Electron, но выше, чем у Astra.

Поскольку Vector Launch, Inc. объявила в августе 2019 г. о приостановке своей деятельности, ракету Vector-H мы анализировать не будем, а вот у Vector-R (рис. 4), прототип которой успел взлететь, имеется немало интересных решений, которые полезно кратко рассмотреть. Например, для довыведения на орбиту предусматривался разгонный блок с электрореактивным двигателем. Без этой третьей ступени ракета была фактически суборбитальной. А первая ступень изначально планировалась многоразовой.


Рис. 4. Сравнение размеров СЛРН Vector-R и H (а) и испытания суборбитального прототипа P-20 с одним двигателем (б)

В проекте используется ЖРД, работающие на пропилене. Первоначально предполагалось использовать сопло Aerospike, охладить которое керосином в габаритах, заданных диаметром ракеты в 1,2 м, было просто невозможно. Отсюда и последовало решение использовать в качестве горючего пропилен. Маленькие ЖРД отличаются вообще очень высокой теплонапряженностью, и использование для их охлаждения керосина приводит к закоксованию рубашки охлаждения. Пропилен такого недостатка лишен. Кроме того, он более эффективен как хладагент, поэтому даже после отказа от Aerospike пропилен решили оставить. На первой ступени использовалось три ЖРД LP-1 тягой по 81 кН, на второй один LP-2 тягой 4,4 кН.

Также, как и в работах Firefly Aerospace, корпус изготавливается из углеволокна, а в ЖРД применяются ТНА на окислительном газе. На ракете использовались форсунки, отпечатанные на 3D-принтере. Как известно, детали, полученные намоткой углеволокном, при контакте с криогенными жидкостями трескаются. Для предотвращения образования микротрещин внутреннюю поверхность выстилают специальным материалом – лайнером. Но это приводит к утяжелению конструкции. Как эта проблема решена на столь маленькой ракете, как Vector-R, до конца непонятно.

Все эти интересные решения были отработаны в рамках контрактов с NASA по программе Science, Technology and Mission Directorate (STMD) Flight Opportunities program. Это позволило команде запустить прототип с одним двигателем на высоту 1,7 км с полезной нагрузкой 50 кг всего через 3 месяца после старта программы (рис. 5).


Рис. 5. Одноступенчатая экспериментальная ракета Р-20 – прототип СЛРН Vector-R

Причины приостановки программы – чисто экономические. Ракета изначально рассчитывалась на вывод спутников класса CubSat. Как было показано в первой статье, этот рынок не в состоянии обеспечить окупаемость ракеты-носителя сверхлегкого класса. А проект предусматривал запуски 100 РН в год. Очевидно, что венчурные фонды ознакомились с прогнозами рынка и прекратили финансирование.

Что не так с Aerospike?

Интересно рассмотреть причины, по которым обе команды в конечном итоге отказались от Aerospike. Клиновоздушные двигатели благодаря наличию свободной границы струи обладают в условиях атмосферы свойством саморегулируемости. В результате они в широком диапазоне высот работают на режимах, близких к полному расширению продуктов сгорания, поэтому их еще называют широкодиапазонными двигателями (ШРД). Это приводит к заметному преимуществу в удельном импульсе на Земле по сравнению с соплом Лаваля.

Более подробно преимущества и недостатки этого типа двигателей будут рассмотрены в следующих публикациях, а пока дадим слово самой компании Vector Launch, Inc., в официальном релизе которой в 2016 г. говорилось буквально следующее:

«Несмотря на тот факт, что клиновоздушные ракетные двигатели обеспечивают некоторые эксплуатационные преимущества, большее количество использующихся в них деталей означает увеличение массы. Они, как правило, тяжелее аналогов с традиционными соплами, имеют меньшую надёжность компонентов».

Сравнение Сопел Лаваля и AirSpike

Рис. 6. Сравнение характеристик традиционных ЖРД с Aerospike

Действительно, сравнивая прямые аналоги, разработанные для программы Space Shuttle двигатели J-2 и J-2T, мы должны отметить, что клиновоздушный J-2T компактнее J-2, наголову превосходит последний по всем параметрам, но заметно тяжелее!


Во времена Space Shuttle решили не рисковать. Очень велики проблемы с охлаждением. Практически при сопоставимых показателях, площадь поверхности, которую приходится охлаждать, у Aerospike как минимум в 2 раза больше, чем у ЖРД с соплом Лаваля.  Есть и множество проблем с конструкцией камеры сгорания, которая должна быть или тороидальной, или плоской. Последнее, как правило, невозможно, и двигатель набирают из множества маленьких цилиндрических камер сгорания, расположенных рядом друг с другом. Существуют нерешенные проблемы с запуском сопла и наличием нестационарных режимов.

На этом пока и закончилась история Aerospike, но попробовать, согласитесь, стоило.

Каковы выводы?

Попытка уклониться от конкуренции с RocketLab и Astra приводит к тому, что проекты оказываются за пределами самой выгодной размерности, что делает их рыночные перспективы туманными, поэтому мы туда лезть не будем.

Применение клиновоздушных двигателей само по себе не дает существенных преимуществ, потому что сопровождается многочисленными техническими трудностями, приводящими к увеличению веса и снижению надежности. Следовательно, необходимо искать комплексные решения, которые усилят преимущества двигателей типа Aerospike и компенсируют их недостатки.

А поиск новых технических решений, позволяющих снизить себестоимость выведения, должен быть продолжен.

#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.