Việc chinh phục không gian vũ trụ đã trở thành một trong những thành tựu quan trọng nhất và mang tính kỷ nguyên của loài người. Việc tạo ra các phương tiện phóng và cơ sở hạ tầng cho việc phóng chúng đòi hỏi những nỗ lực to lớn từ các quốc gia hàng đầu trên thế giới. Trong thời đại của chúng ta, có xu hướng tạo ra các phương tiện phóng hoàn toàn có thể tái sử dụng có khả năng thực hiện hàng chục chuyến bay vào vũ trụ. Sự phát triển và hoạt động của chúng vẫn cần những nguồn lực khổng lồ, vốn chỉ có thể được phân bổ bởi các bang hoặc các tập đoàn lớn (một lần nữa, với sự hỗ trợ của nhà nước).
Vào đầu thế kỷ XXI, việc cải tiến và thu nhỏ các thành phần điện tử đã giúp tạo ra các vệ tinh có kích thước nhỏ (được gọi là "tế bào vi mô" và "tế bào nano"), khối lượng của chúng nằm trong khoảng 1-100 Kilôgam. Gần đây, chúng ta đang nói về "picosatellite" (nặng từ 100 g đến 1 kg) và "vệ tinh femto" (nặng dưới 100 g). Những vệ tinh như vậy có thể được phóng lên dưới dạng hàng hóa theo nhóm từ các khách hàng khác nhau hoặc như một tải trọng chuyển tới tàu vũ trụ "lớn" (SC). Phương pháp phóng này không phải lúc nào cũng thuận tiện, vì các nhà sản xuất tế bào nano (sau đây chúng tôi sẽ sử dụng ký hiệu này cho tất cả các kích thước của tàu vũ trụ siêu nhỏ) phải thích ứng với lịch trình phóng hàng chính của khách hàng, cũng như do sự khác biệt trong quỹ đạo phóng.
Điều này đã dẫn đến sự xuất hiện của nhu cầu về các phương tiện phóng siêu nhỏ có khả năng phóng tàu vũ trụ nặng khoảng 1-100 kg.
DARPA và KB "MiG"
Đã và đang được phát triển nhiều dự án về phương tiện phóng siêu nhẹ - phóng từ mặt đất, trên không và trên biển. Đặc biệt, cơ quan DARPA của Mỹ đã tích cực nghiên cứu vấn đề phóng nhanh các tàu vũ trụ siêu nhỏ. Đặc biệt, người ta có thể nhớ lại dự án ALASA, được khởi động vào năm 2012, trong khuôn khổ dự kiến tạo ra một tên lửa cỡ nhỏ được thiết kế để phóng từ máy bay chiến đấu F-15E và phóng vệ tinh nặng tới 45 kg vào quỹ đạo tham chiếu thấp. (SƯ TỬ).
Động cơ tên lửa lắp trên tên lửa phải hoạt động trên chất đơn bào NA-7, bao gồm monopropylene, nitơ oxit và axetylen. Chi phí phóng không vượt quá 1 triệu đô la. Có lẽ, các vấn đề về nhiên liệu, đặc biệt là quá trình đốt cháy tự phát và có xu hướng phát nổ, đã đặt dấu chấm hết cho dự án này.
Một dự án tương tự đang được thực hiện ở Nga. Năm 1997, phòng thiết kế MiG cùng với KazKosmos (Kazakhstan) bắt đầu phát triển hệ thống phóng có tải trọng (PN) sử dụng máy bay đánh chặn MiG-31I (Ishim) đã được chuyển đổi. Dự án được phát triển trên cơ sở nền tảng cho việc tạo ra một cải tiến chống vệ tinh của MiG-31D.
Tên lửa ba tầng, được phóng ở độ cao khoảng 17.000 mét và tốc độ 3.000 km / h, được cho là có trọng lượng 160 kg lên quỹ đạo ở độ cao 300 km và trọng tải nặng 120 kg vào quỹ đạo ở độ cao 600 km.
Tình hình tài chính khó khăn ở Nga vào cuối những năm 90 và đầu những năm 2000 đã không cho phép dự án này thành hiện thực bằng kim loại, mặc dù có thể những trở ngại kỹ thuật có thể nảy sinh trong quá trình phát triển.
Có nhiều dự án khác về phương tiện phóng siêu nhẹ. Đặc điểm phân biệt của chúng có thể được coi là sự phát triển của các dự án theo cấu trúc nhà nước hoặc các tập đoàn lớn (thực tế là "nhà nước"). Các nền tảng phức tạp và đắt tiền như máy bay chiến đấu, máy bay ném bom hoặc máy bay vận tải hạng nặng thường phải được sử dụng làm bệ phóng.
Tất cả những điều này cùng nhau làm phức tạp sự phát triển và tăng chi phí của các khu phức hợp, và giờ đây vai trò dẫn đầu trong việc tạo ra các phương tiện phóng siêu nhẹ đã thuộc về tay các công ty tư nhân.
Phòng thí nghiệm tên lửa
Một trong những dự án thành công và nổi tiếng về tên lửa siêu nhẹ có thể coi là phương tiện phóng "Electron" của công ty Rocket Lab của Mỹ-New Zealand. Tên lửa hai tầng có khối lượng 12.550 kg này có khả năng phóng 250 kg PS hoặc 150 kg PS lên quỹ đạo đồng bộ mặt trời (SSO) với độ cao 500 km vào LEO. Công ty có kế hoạch phóng tới 130 tên lửa mỗi năm.
Thiết kế của tên lửa được làm bằng sợi carbon; động cơ phản lực đẩy chất lỏng (LRE) được sử dụng trên bộ đôi nhiên liệu dầu hỏa + oxy. Để đơn giản hóa và giảm chi phí thiết kế, nó sử dụng pin lithium-polymer làm nguồn điện, hệ thống điều khiển khí nén và hệ thống chuyển nhiên liệu từ bồn chứa, hoạt động bằng khí helium. Trong sản xuất động cơ tên lửa đẩy chất lỏng và các thành phần tên lửa khác, công nghệ phụ gia được sử dụng tích cực.
Có thể lưu ý rằng tên lửa đầu tiên của Phòng thí nghiệm Tên lửa là tên lửa khí tượng Kosmos-1 (Atea-1 trong tiếng Maori), có khả năng nâng tải trọng 2 kg lên độ cao khoảng 120 km.
Lin Industrial
Công ty “tương tự” của Rocket Lab của Nga có thể được gọi là công ty “Lin Industrial”, chuyên phát triển các dự án cho cả tên lửa dưới quỹ đạo đơn giản nhất có khả năng đạt độ cao 100 km và phóng các phương tiện được thiết kế để xuất tải trọng tải tới LEO và SSO.
Mặc dù thị trường tên lửa dưới quỹ đạo (chủ yếu như tên lửa khí tượng và địa vật lý) bị chi phối bởi các giải pháp với động cơ nhiên liệu rắn, Lin Industrial đang chế tạo tên lửa dưới quỹ đạo của mình dựa trên động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng chạy bằng dầu hỏa và hydrogen peroxide. Nhiều khả năng điều này là do Lin Industrial nhận thấy hướng phát triển chính của mình là phóng thương mại phương tiện phóng lên quỹ đạo, và tên lửa quỹ đạo đẩy chất lỏng có nhiều khả năng được sử dụng để phát triển các giải pháp kỹ thuật.
Dự án chính của Lin Industrial là phương tiện phóng siêu nhẹ Taimyr. Ban đầu, dự án cung cấp một cách bố trí mô-đun với sự sắp xếp song song hàng loạt các mô-đun, cho phép tạo ra một phương tiện phóng với khả năng xuất ra trọng tải từ 10 đến 180 kg cho LEO. Sự thay đổi về khối lượng tối thiểu của phương tiện phóng đã phóng phải được đảm bảo bằng cách thay đổi số lượng đơn vị tên lửa đa năng (UBR) - URB-1, URB-2 và URB-3 và đơn vị tên lửa giai đoạn ba RB-2.
Động cơ của phương tiện phóng Taimyr phải hoạt động bằng dầu hỏa và hydrogen peroxide đậm đặc; nhiên liệu phải được cung cấp bằng cách dịch chuyển bằng helium nén. Thiết kế dự kiến sẽ sử dụng rộng rãi vật liệu composite, bao gồm nhựa gia cố bằng sợi carbon và các thành phần in 3D.
Sau đó, công ty Lin Industrial đã từ bỏ sơ đồ mô-đun - phương tiện phóng trở thành hai giai đoạn, với sự sắp xếp tuần tự các bước, kết quả là sự xuất hiện của phương tiện phóng Taimyr bắt đầu giống với sự xuất hiện của phương tiện phóng Electron bởi Phòng thí nghiệm tên lửa. Ngoài ra, hệ thống dịch chuyển trên helium nén đã được thay thế bằng hệ thống cung cấp nhiên liệu sử dụng máy bơm điện chạy bằng pin.
Lần ra mắt đầu tiên của Taimyr LV được lên kế hoạch vào năm 2023.
IHI Aerospace
Một trong những phương tiện phóng siêu nhẹ thú vị nhất là tên lửa đẩy rắn ba tầng SS-520 của Nhật Bản do IHI Aerospace sản xuất, được tạo ra trên cơ sở tên lửa địa vật lý S-520 bằng cách bổ sung giai đoạn thứ ba và cải tiến tương ứng các hệ thống trên tàu. Chiều cao của tên lửa SS-520 là 9,54 mét, đường kính 0,54 mét, trọng lượng phóng 2600 kg. Khối lượng trọng tải giao cho LEO là khoảng 4 kg.
Phần thân của giai đoạn đầu được làm bằng thép cường độ cao, giai đoạn thứ hai được làm bằng composite sợi carbon, đầu xe làm bằng sợi thủy tinh. Cả ba giai đoạn đều là nhiên liệu rắn. Hệ thống điều khiển của SS-520 LV được bật định kỳ tại thời điểm tách biệt của giai đoạn thứ nhất và thứ hai, và thời gian còn lại tên lửa được ổn định bằng cách quay.
Vào ngày 3 tháng 2 năm 2018, SS-520-4 LV đã phóng thành công một khối lập phương TRICOM-1R với khối lượng 3 kg, được thiết kế để chứng minh khả năng tạo ra tàu vũ trụ từ các linh kiện điện tử tiêu dùng. Vào thời điểm ra mắt, SS-520-4 LV là phương tiện phóng nhỏ nhất trên thế giới, được ghi vào sách kỷ lục Guinness.
Việc chế tạo các phương tiện phóng siêu nhỏ dựa trên tên lửa khí tượng và địa vật lý động cơ đẩy chất rắn có thể là một hướng đi khá hứa hẹn. Những tên lửa như vậy rất dễ bảo trì, có thể bảo quản trong thời gian dài trong điều kiện đảm bảo chuẩn bị phóng trong thời gian ngắn nhất có thể.
Giá thành của động cơ tên lửa có thể bằng khoảng 50% chi phí của tên lửa và khó có thể đạt đến con số dưới 30%, kể cả khi tính đến việc sử dụng các công nghệ phụ gia. Trong các phương tiện phóng bằng động cơ đẩy rắn, chất oxy hóa đông lạnh không được sử dụng, điều này đòi hỏi các điều kiện bảo quản và tiếp nhiên liệu đặc biệt ngay trước khi phóng. Đồng thời, để sản xuất nhiên liệu đẩy rắn, công nghệ phụ gia cũng đang được phát triển cho phép "in" phí nhiên liệu có cấu hình cần thiết.
Kích thước nhỏ gọn của các phương tiện phóng siêu nhẹ giúp đơn giản hóa việc vận chuyển và cho phép phóng từ nhiều điểm khác nhau trên hành tinh để đạt được độ nghiêng quỹ đạo cần thiết. Đối với các phương tiện phóng siêu nhẹ, cần có bệ phóng đơn giản hơn nhiều so với các tên lửa "lớn", giúp nó có thể cơ động.
Có những dự án tên lửa như vậy ở Nga và chúng có thể được thực hiện trên cơ sở nào?
Tại Liên Xô, một số lượng đáng kể tên lửa khí tượng đã được sản xuất - MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR -20 và tên lửa địa vật lý - R-1A, R-1B, R-1V, R-1E, R-1D, R-2A, R-11A, R-5A, R-5B, R-5V, "Vertical", K65UP, MR-12, MR-20, MN-300, 1Ya2TA. Nhiều thiết kế trong số này dựa trên những phát triển quân sự về tên lửa đạn đạo hoặc tên lửa chống tên lửa. Trong những năm tích cực thăm dò tầng thượng khí quyển, số lần phóng lên tới 600-700 quả rocket mỗi năm.
Sau khi Liên Xô sụp đổ, số lượng các vụ phóng và chủng loại tên lửa đã giảm hẳn. Hiện tại, Roshydromet sử dụng hai tổ hợp - MR-30 với tên lửa MN-300 do NPO Typhoon / OKB Novator phát triển và tên lửa khí tượng MERA do KBP JSC phát triển.
MR-30 (MN-300)
Tên lửa của tổ hợp MR-30 có khả năng nâng 50-150 kg thiết bị khoa học lên độ cao 300 km. Chiều dài của tên lửa MN-300 là 8012 mm với đường kính 445 mm, trọng lượng phóng 1558 kg. Chi phí cho một lần phóng tên lửa MN-300 ước tính khoảng 55-60 triệu rúp.
Trên cơ sở tên lửa MN-300, khả năng tạo ra một phương tiện phóng siêu nhỏ IR-300 bằng cách thêm một giai đoạn thứ hai và giai đoạn trên (thực tế là giai đoạn thứ ba) đang được xem xét. Trên thực tế, người ta đề xuất lặp lại kinh nghiệm khá thành công khi triển khai phương tiện phóng SS-520 siêu nhẹ của Nhật Bản.
Đồng thời, một số chuyên gia bày tỏ ý kiến cho rằng do tốc độ tối đa của tên lửa MN-300 là khoảng 2000 m / s, nên để đạt được tốc độ vũ trụ đầu tiên khoảng 8000 m / s thì cần phải đưa phương tiện phóng. vào quỹ đạo, nó có thể yêu cầu sửa đổi quá nghiêm trọng dự án ban đầu, về cơ bản là phát triển một sản phẩm mới, có thể dẫn đến tăng chi phí phóng lên gần một bậc và khiến nó không có lãi so với các đối thủ cạnh tranh.
ĐO LƯỜNG
Tên lửa khí tượng MERA được thiết kế để nâng vật nặng 2-3 kg lên độ cao 110 km. Khối lượng của tên lửa MERA là 67 kg.
Thoạt nhìn, tên lửa khí tượng MERA hoàn toàn không thích hợp để làm cơ sở chế tạo phương tiện phóng siêu nhẹ, nhưng đồng thời, có một số sắc thái khiến nó có thể thách thức quan điểm này.
Tên lửa khí tượng MERA là một bicaliber hai giai đoạn, và chỉ giai đoạn đầu tiên thực hiện chức năng tăng tốc, giai đoạn thứ hai - sau khi tách rời, bay theo quán tính, điều này làm cho tổ hợp này tương tự như tên lửa dẫn đường phòng không (SAM) của Tunguska và Tổ hợp tên lửa và pháo phòng không Pantsir (ZRPK). Trên thực tế, trên cơ sở tên lửa cho hệ thống tên lửa phòng không của các tổ hợp này, tên lửa khí tượng MERA đã được tạo ra.
Giai đoạn đầu tiên là một cơ thể tổng hợp với một điện tích đẩy rắn được đặt trong nó. Trong 2,5 giây, giai đoạn đầu tiên tăng tốc tên lửa khí tượng đến tốc độ 5M (tốc độ âm thanh), tức là khoảng 1500 m / s. Đường kính của giai đoạn đầu tiên là 170 mm.
Giai đoạn đầu của tên lửa khí tượng MERA, được chế tạo bằng cách cuộn bằng vật liệu composite, cực kỳ nhẹ (so với các cấu trúc thép và nhôm có kích thước tương tự) - trọng lượng của nó chỉ 55 kg. Ngoài ra, giá thành của nó sẽ thấp hơn đáng kể so với các giải pháp làm từ sợi carbon.
Dựa trên điều này, có thể giả định rằng trên cơ sở giai đoạn đầu của tên lửa khí tượng MERA, một mô-đun tên lửa thống nhất (URM) có thể được phát triển, được thiết kế để hình thành hàng loạt các giai đoạn của các phương tiện phóng siêu nhẹ
Trên thực tế, sẽ có hai mô-đun như vậy, chúng sẽ khác nhau ở vòi phun của động cơ tên lửa, được tối ưu hóa, tương ứng, để hoạt động trong khí quyển hoặc trong chân không. Hiện tại, đường kính tối đa của vỏ được sản xuất bởi Công ty Cổ phần KBP theo phương pháp quấn dây được cho là 220 mm. Có thể có tính khả thi về mặt kỹ thuật của việc chế tạo vỏ composite có đường kính và chiều dài lớn hơn.
Mặt khác, có thể giải pháp tối ưu sẽ là sản xuất thân tàu, kích thước của chúng sẽ được thống nhất với bất kỳ loại đạn nào cho hệ thống tên lửa phòng không Pantsir, tên lửa dẫn đường của tổ hợp Hermes hoặc tên lửa khí tượng MERA, sẽ giảm giá thành của một sản phẩm đơn lẻ bằng cách tăng khối lượng phát hành nối tiếp các sản phẩm cùng loại.
Các giai đoạn của phương tiện phóng nên được tuyển chọn từ URM, được gắn chặt song song, trong khi việc tách các giai đoạn sẽ được thực hiện theo chiều ngang - không cung cấp sự phân tách theo chiều dọc của URM trong giai đoạn. Có thể giả định rằng các giai đoạn của một phương tiện phóng như vậy sẽ có khối lượng ký sinh lớn so với một cơ thể liền khối có đường kính lớn hơn. Điều này đúng một phần, nhưng trọng lượng thấp của vỏ được làm bằng vật liệu composite khiến nó có thể khắc phục được phần lớn nhược điểm này. Nó có thể hóa ra rằng một vỏ máy có đường kính lớn, được sản xuất bằng công nghệ tương tự, sẽ khó sản xuất và tốn kém hơn nhiều và các bức tường của nó sẽ phải được làm dày hơn nhiều để đảm bảo độ cứng cần thiết của cấu trúc so với các URM được kết nối bởi một gói, do đó cuối cùng có rất nhiều giải pháp monoblock và gói sẽ có thể so sánh được với chi phí thấp hơn so với giải pháp sau. Và rất có thể vỏ hộp đơn khối bằng thép hoặc nhôm sẽ nặng hơn hộp tổng hợp đóng gói.
Kết nối song song của URM có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các phần tử được nghiền hỗn hợp phẳng nằm ở phần trên và phần dưới của bậc thang (tại các điểm thu hẹp của phần thân URM). Nếu cần, có thể sử dụng thêm lớp láng bằng vật liệu composite. Để giảm chi phí trong kết cấu, công nghệ và vật liệu công nghiệp rẻ tiền, chất kết dính cường độ cao nên được sử dụng càng nhiều càng tốt.
Tương tự, các giai đoạn LV có thể được kết nối với nhau bằng các phần tử gia cố hoặc hình ống composite, và cấu trúc có thể không thể tách rời, khi các giai đoạn được tách biệt, các phần tử chịu tải có thể bị phá hủy bởi điện tích pyro một cách có kiểm soát. Hơn nữa, để tăng độ tin cậy, các điện tích pyro có thể được đặt ở một số điểm nằm tuần tự của cấu trúc hỗ trợ và được bắt đầu bằng cả đánh lửa điện và đánh lửa trực tiếp từ ngọn lửa của động cơ ở tầng cao hơn, khi chúng được bật (để bắn giai đoạn dưới nếu đánh lửa điện không hoạt động).
Phương tiện phóng có thể được điều khiển giống như cách thực hiện trên phương tiện phóng siêu nhẹ SS-520 của Nhật Bản. Phương án lắp đặt hệ thống điều khiển chỉ huy vô tuyến, tương tự như hệ thống lắp đặt trên hệ thống tên lửa phòng không Pantsir, cũng có thể được coi là để điều chỉnh hoạt động của phương tiện phóng ít nhất là trên một phần của quỹ đạo bay (và có thể ở tất cả các giai đoạn của Chuyến bay). Về khả năng, điều này sẽ làm giảm số lượng thiết bị đắt tiền trên tên lửa sử dụng một lần bằng cách mang nó đến một phương tiện điều khiển "có thể tái sử dụng".
Có thể giả định rằng, nếu tính đến cấu trúc đỡ, các phần tử kết nối và hệ thống điều khiển, sản phẩm cuối cùng sẽ có thể chuyển tải trọng lượng từ vài kg đến vài chục kg cho LEO (tùy thuộc vào số lượng mô-đun tên lửa thống nhất trong các giai đoạn) và cạnh tranh với các phương tiện phóng siêu nhẹ SS-LV. 520 của Nhật Bản và các phương tiện phóng siêu nhẹ tương tự khác do các công ty Nga và nước ngoài phát triển.
Để thương mại hóa thành công dự án, ước tính chi phí phóng phương tiện phóng siêu nhẹ MERA-K không được vượt quá 3,5 triệu USD (đây là chi phí phóng cho phương tiện phóng SS-520).
Ngoài các ứng dụng thương mại, phương tiện phóng MERA-K có thể được sử dụng để rút khẩn cấp các tàu vũ trụ quân sự, kích thước và trọng lượng của chúng cũng sẽ giảm dần.
Ngoài ra, những phát triển thu được trong quá trình thực hiện phương tiện phóng MERA-K có thể được sử dụng để tạo ra vũ khí tiên tiến, ví dụ, một tổ hợp siêu thanh với đầu đạn thông thường ở dạng tàu lượn nhỏ gọn, được thả xuống sau khi khởi động vụ phóng. xe đến điểm trên của quỹ đạo.
