РАКЕТЫ-НОСИТЕЛИ СВЕРХ ЛЕГКОГО КЛАССА КАК ОДНО ИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ КОСМОДРОМА «БАЙКОНУР»

ULTRA-LIGHT CLASS LAUNCH VEHICLES AS ONE OF THE PROSPECTIVE AREAS OF DEVELOPMENT OF THE “BAIKONUR” COSMODROME

Rustem Zhunussov

doctoral student, al-Farabi Kazakh National University,

Kazakhstan, Almaty

Marat Ismailov

professor, doctor of technical sciences, Head of the department of Space Materials Science and Instrument Engineering of JSC “National Center of Space Research and Technology”,

Kazakhstan, Almaty

Marat Nurguzhin

professor, doctor of technical sciences, Chairman of the board of JSC “National Center of Space Research and Technology”,

Kazakhstan, Almaty

АННОТАЦИЯ

В данной работе был проведен сбор информации для определения направления развития и модернизации космодрома. Во введении дается определение сверхлегкому классу РН, приводится классификация РН СЛК по назначению, а также дается определение наиболее востребованному типу РН СЛК. В заключении авторы подводят итоги проведенного обзора, а также показывают под какие задачи стоит модернизировать космодром «Байконур».

ABSTRACT

In this work, information was collected to determine the direction of development and modernization of the cosmodrome. The introduction defines the ultralight (UL) class of launch vehicles (LV), provides the classification of the UL LV by purpose, and also defines the most popular type of UL LV. In conclusion, the authors summarize the results of the review, and also show what tasks it is worth to modernize the “Baikonur” cosmodrome.

Ключевые слова: ракета-носитель; сверхлегкий класс; космический аппарат (спутник); космодром.

Keywords: launch vehicle; ultralight class; satellite; cosmodrome.

Введение

В настоящее время космодром используется для запусков тяжелых ракет-носителей (РН) и пилотируемых кораблей, таких как «Союз», «Протон» и т.п. Но мировая тенденция показывает, что в последние годы в сфере пусковых услуг по всему миру все большее внимание привлекают РН сверх легкого класса (СЛК). К РН СЛК относятся ракеты, способные доставить на низкую опорную орбиту (НОО) полезную нагрузку (ПН) массой до 500 кг [12]. НОО – орбита, на которую выходит головной блок РН после завершения основной части активного участка выведения космического аппарата (КА). Высота НОО колеблется на отметках в 193-220 км [4]. В свою очередь РН СЛК классифицируются по назначению и высоте полета:

• метеорологические (40-100 км);
• геофизические (100-150 км);
• технологические;
• коммерческие (для вывода различной ПН на НОО и выше).

Последний тип РН СЛК является наиболее востребованным в последнее время.

Коммерческая ракета - беспилотная ракета, совершающая орбитальный полёт и предназначенная для коммерческого вывода на рабочие орбиты ПН различного назначения, в основном КА дистанционного зондирования земли (ДЗЗ), спутников связи, навигационных КА и т.п.

Развитие малых КА

РН СЛК коммерческого типа используются для запуска спутников классов «нано» (1-10 кг) и «микро» (10-100 кг). Актуальность создания таких РН обусловлена активным ростом рынка КА класса микро и меньше. Развитие мини (100-500 кг), микро (10-100 кг), нано (1-10 кг) и пико-спутниковых (0.1-1 кг) платформ заметно по всему миру. Это связано с тем, что электронные компоненты начиная с середины прошлого столетия непрерывно развиваются в сторону уменьшения размеров без потери в производительности, благодаря чему конечные электронные изделия становятся с каждым годом более совершенными. Новшества из этой области активно применяются в аэрокосмической промышленности. Благодаря чему уже сейчас спутники классов микро и ниже способны заменить собой КА, которые раньше весили несколько тонн. В создании КА этих классов принимают участие как государственные, так и частные компании, и даже учебные организации. Последним открылись возможности работ в данном направлении в классах нано и пико-спутниковых платформ благодаря тому, что с уменьшением размеров электронных компонентов снизилась и их конечная стоимость. В результате всего вышесказанного количество запусков таких КА уже в ближайшие 5-10 лет достигнет отметок в сотни и даже тысячи. Наивысшие темпы роста ожидаются среди запусков КА массой до 50 кг, которые относятся к нано и микроспутникам [5].

Ниже расположен график (рисунок 1), отображающий статистику запусков КА, массой менее 100 кг и прогноз различных консалтинговых агентств, таких как: O2 Consulting, PricewaterhouseCoopers, SpaceWorks [2].

Рисунок 1. Количество запусков КА массой менее 100 кг

Эти данные подтверждаются ежегодными отчетами отраслевого исследования рынка малых РН, проводимого Карлосом Нидерштрассером – главным системным инженером Northrop Grumman. Согласно его последнему отчету за 2021 год [10] волну повышенного спроса на РН СЛК подхлестывают новые спутниковые группировки, или так называемые «созвездия», такие как OneWeb, HawkEye 360, Planet и т.д. Последняя сейчас является самой большой в мире спутниковой группировкой, применяемой для получения спутниковых снимков Земли, на сегодняшний день уже запущено более 450 аппаратов. OneWeb вывела свою одноименную группировку, состоящую из более чем 200 аппаратов, которую в скором будущем планируется наращивать до 2000 спутников.

Если ситуация с развитием микро/нано КА очевидна, то в секторе средств выведения ПН заметен застой. Кардинальных изменений в РН нет вот уже почти как пол сотни лет. В результате чего получается так, что микро/нано КА выводят на орбиту лишь как попутную ПН в дополнение к большим аппаратам. В итоге малогабаритные грузы доставляют не туда куда хотел бы заказчик, а как получится, поскольку основную траекторию полета подбирают под основной груз. Такое положение дел связано с тем, что большие РН имеют лучшие показатели массового совершенства, что в итоге отражается на стоимости выведения 1 кг на орбиту. Но не всегда меньшая цена становится решающим фактором в запусках КА. Некоторым типам КА, таким как КА ДЗЗ чрезвычайно важна орбита выведения. И в случае отсутствия крупной ПН на нужную для заказчика малого КА орбиту, таким аппаратам приходится терять довольно продолжительное время на ожидание. Кроме того, бывает необходимость срочной замены спутника – члена орбитальной группировки КА, работа которой при выходе даже незначительного количества КА может быть нарушена. Таким образом, опираясь на текущую динамику и достаточно свежие прогнозы на ближайшие несколько лет мы можем видеть глобальный рост числа запусков микро/нано КА. В связи с этим к текущему времени появился глобальный спрос на разработку РН СЛК.

Развитие малых РН

Для удовлетворения спроса на запуски нано/микро-спутников   космические державы и не только, буквально ринулись создавать сверхлегкие и относительно недорогие микро-ракеты. Это также подтверждается данными из работы [10] (рисунок 2).

Рисунок 2. Темпы роста рынка РН СЛК 2015 – 2021 г [10]

Эти данные предоставлены также Карлосом Нидерштрассером. По его словам, мир начинает захватывать бум малых РН, а проблема всех, кто хочет угнаться за этим рынком в том, что их количество продолжает расти, и отметка в 155 аппаратов далеко не предел. Поскольку каждый раз как он исключает из своего списка один такой проект, появляются два новых. По его оценкам глобально в разработку малых РН за последние годы различными финансовыми организациями и фондами, а также частными инвесторами было вложено порядка $2 млрд. Все это говорит о том, что этот рынок находится на стадии активного роста [13].

Для многих новичков в пусковой индустрии стремление к разработке новой РН носит в основном коммерческий характер. Руководствуясь представлениями о сотнях, если не тысячах, запусков малых спутников ежегодно, при поддержке рынков венчурного капитала, которые становятся более дружелюбными к космическим усилиям, и вдохновленные весьма заметным успехом американской SpaceX, предприниматели по всему миру приступили к тому, что когда-то считалось невероятно рискованным и финансово невыгодным предприятием по разработке и запуску новой ракеты. Кроме того, помимо коммерческого видения экономической славы, также возросла привлекательность государственных контрактов.

В последние годы Министерство обороны США и NASA значительно повысили внимание к малым РН. По мере увеличения полезности и возможностей малых спутников Министерство обороны и связанные с ним агентства заинтересованы не только в традиционных услугах по запуску, но и в так называемых услугах «запуск по запросу», предполагающих незапланированные быстрые пуски по первому требованию. Такие программы, как ALASA от DARPA и VCLS от NASA, обещали финансировать новых участников разработки малых РН.

Европейские правительства тоже не остаются в стороне от темы малых РН. Подготовительная программа ЕSА для будущих РН (FLPP) [7] и исследования, финансируемые через Horizon 2020 Европейского Союза [11], обе внесли необходимые инвестиции на европейский рынок. Совсем недавно ESA Boost! Initiative заключила многомиллионные контракты с пятью различными европейскими пусковыми компаниями [6]. Отдельные страны также проявили новый интерес к малым РН. Например, Великобритания активно изучает потенциальные стартовые площадки для многих новых участников и объявило о выборе по крайней мере четырех площадок по всей стране для размещения на них малых РН [9].

В целом по всему миру начиная с середины нулевых годов в разработке находятся десятки проектов РН СЛК. Наиболее перспективные из них приведены в работе [3]. Согласно этой работе, рынок РН СЛК делят между собой следующие игроки:

• США – 11 ракет;
• Китай – 4 ракеты;
• Испания – 2 ракеты;
• Япония – 1 ракета;
• Британия – 1 ракета;
• ЕС – 1 ракета.

Свои проекты микроракет начала разрабатывать Россия: Erral Project,  Таймыр, модернизированная МН-300 [1]. РН СЛК создается на базе модернизированной  твердотопливной геофизической ракеты МН-300. МН-300  имеет стартовую массу 1564 кг, поднимает на высоту 300 км полезную  нагрузку 50-150 кг. Время подготовки к пуску 3 часа. Пуск будет возможным с автомобильной платформы.

Таким образом среди перспективных разработок по РН СЛК лидирующие позиции ожидаемо занимают наиболее технологически и экономически развитые страны, такие как США и Китай. Но также важно отметить, что РН СЛК создаются не только в развитых странах с ракетно-космическим опытом, но и в странах без такого опыта. В качестве примера приведем Норвегию с ракетой North Star Launch Vehicle (масса ракеты 800 кг, длина 9 м, высота подъема 100 км) [8] и Новую Зеландию с ракетой Electron, которые созданы в течение 10 лет. Пусковая инфраструктура микроракет отличается простотой и не требует отчуждения больших территорий, в связи с этим все больше стран со слабо развитой либо совсем не развитой космической инфраструктурой в последние годы активно включаются в гонку за место на растущем рынке РН СЛК.

Заключение

Подводя итоги, можно сказать, что на данный момент мир переживает расцвет частной космонавтики, развитие микро/нано/пико-спутниковых платформ, спутниковых группировок и соответственно взрывной рост спроса на запуски таких аппаратов, вследствие чего в ближайшие годы прогнозируется активный рост рынка РН СЛК. На этой волне развивающиеся в космической сфере страны, такие как Казахстан, получают уникальную возможность занять свое место на рынке пусковых услуг путем разработки собственных РН СЛК. А если рассматривать Казахстан, в частности, то у страны в будущем появится шанс освоить свой космодром путем налаживания с него пусков своих РН СЛК.

Таким образом путем анализа текущих тенденций развития мирового пускового рынка можно сделать следующий вывод: Казахстану необходимо осваивать нишу на рынке пусковых услуг путем разработки и запуска своей РН СЛК. Для этого стране необходима не только производственная, но и пусковая инфраструктура, заточенная под такие РН. В связи с этим необходимо модернизировать космодром «Байконур» под задачи запусков РН СЛК.

Список литературы:

1. Буланов A. Естественный носитель: в России создают ракету для оперативных запусков [Электронный ресурс]. URL: https://iz.ru/843088/aleksandr-bulanov/estestvennyi-nositel-v-rossii-sozdaiut-raketu-dlia-operativnykh-zapuskov (дата обращения: 14.12.2021)
2. Ильин A. Технологические барьеры при создании конкурентоспособной ракеты-носителя с полезной нагрузкой до 200 кг и пути преодоления этих барьеров. Научно-технический отчет [Электронный ресурс]. – Москва, 2018. – URL: https://spacelin.ru/Tekhnologicheskie_barery.pdf (дата обращения: 03.12.2021)
3. Клюшников В. Ю. Ракеты-носители сверхлегкого класса: ниша на рынке пусковых услуг и перспективные проекты // Воздушно-космическая сфера. – 2019. – №3. – С. 58-71.
4. Низкая опорная орбита [Электронный ресурс]: Википедия. Свободная энциклопедия. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Низкая_опорная_орбита (дата обращения: 06.12.2021)
5. 2018 Nano/Microsatellite Launch History & Market Forecast (1-50 kg) [Электронный ресурс]. – URL: https://twitter.com/SpaceWorksSEI/media (дата обращения: 09.12.2021)
6. ESA boost for UK space transportation initiatives [Электронный ресурс]. – URL: https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/ESA_boost_for_UK_space_transportation_initiatives (дата обращения: 11.11.2021)
7. ESA Explores Microlaunchers for Small Satellites [Электронный ресурс]. – URL: http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Transportation/ESA_explores_microlaunchers_for_small_satellites (дата обращения: 25.11.2021)
8. Martina G. Faenza et all. Getting Ready for Space: Nammo’s Development of a 30 kN Hybrid Rocket Based Technology Demonstrator // 7TH EUROPEAN CONFERENCE FOR AERONAUTICS AND SPACE SCIENCES (EUCASS), 2017. – 13 p. DOI: 10.13009/EUCASS2017-410
9. Moore T. Four spaceports to be built across UK [Электронный ресурс]. – URL: http://news.sky.com (дата обращения: 07.11.2021)
10. Niederstrasser C. Small Launchers in a Pandemic World - 2021 Edition of the Annual Industry Survey [Электронный ресурс]. URL: https://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=5036&context=smallsat (дата обращения: 16.11.2021)
11. Oving, Berti, et al. Small Innovative Launcher for Europe: achievement of the H2020 project SMILE // Proceedings of the 7th European Conference for Aeronautics and Space Sciences, 2017. – 15 p. DOI: 10.13009/EUCASS2017-600
12. Timo Wekerle et all. “Status and Trends of Smallsats and Their Launch Vehicles — An Up-to date Review” // Journal of Aerospace Technology and Management. – 2017. – Vol. 9. – №3. – P. 269-286. DOI: 10.5028/jatm.v9i3.853
13. Werner D. How many small launch vehicles are being developed? Too many to track! [Электронный ресурс]. URL: https://spacenews.com/carlos-launch-vehicle-update-iac (дата обращения: 21.11.2021)