Хабрахабр

По пути Сергея Павловича Королева. Современный российский пилотируемый проект. Часть 2. Ракета


Продолжение. Первая часть здесь

Для упрощения задачи решил разобрать только пилотируемые миссии. В этой части рассмотрим нашу миссию к Луне.

Чтобы лучше понять текущий вариант, давайте рассмотрим связку блоков, предназначенных для отправки к Луне, но на орбите Земли.

Здесь представлены: пилотируемый корабль «Федерация», блок «Д» для выхода на орбиту Луны и разгонный блок (ориентировочно КВТК-2), необходимый для отправки комплекса к Луне.

Ну а после стыковки на лунной орбите его с «Федерацией» мы получаем полноценный комплекс для высадки космонавтов. Если заменить в этой связке «Федерацию» на лунный посадочный аппарат, то его можно успешно доставить на орбиту Луны.

Пока ему вынужденно не пришлось перейти на однопусковую схему полета к Луне, он долго рассматривал варианты с несколькими стыковками. Более того, именно в этом случае мы идем по пути Сергея Павловича Королёва. Когда же решили перейти на один пуск, потребовалось срочно форсировать ракету до 92 тонн, и все равно комплекс очень сложно завязывался: до самого конца у него были проблемы с массой. Тогда всё удобно компоновалось под ракету Н1 грузоподъемностью 75 тонн.

Текущий российский вариант отчасти близок к «Схеме 2» из предложений Королёва.

Если посмотреть на МКС, то Королёв оказался абсолютно прав. Королёв был уверен, что именно за сборкой на орбите Земли или Луны будущее, что именно в эту сторону должна развиваться космонавтикаи что скоро элементы будут собираться на орбите – как стыковкой из отдельных модулей, так и ручной сборкой крупногабаритных конструкций космонавтами.

Этопри том, что именно для однопусковой лунной миссии она была уже не нужна! Именно он тогда приложил очень много сил для разработки систем автоматической стыковки, преодолев мощное сопротивление при её создании, благодаря чему у нас подобная система появилась уже в 1967 году. Для примера, в США она появилась только в нынешнем, 2019 году.

Вот что говорил сам Королёв по аналогичному поводу в 1965-м году:

запись с предполетной конференции «Восхода-2».

Мы определили, что для полета к Луне необходимо иметь на орбите Земли комплекс массой порядка 90 тонн. Вернёмся в наше время. Можно, например, собрать на орбите. Каким образом его туда доставить? Если бы у нас был носитель грузоподъемностью 50 тонн, то можно было бы вывести на орбиту корабль с блоком «Д» одним пуском, разгонный блок другим и состыковать их на орбите, получив нужный комплекс.

В данном случае разгонного блока. Видно, что в этом варианте максимальная грузоподъемность носителя определяется максимальной массой моноблока. Если масса меньше, то в теории можно перейти к заправке на орбите Земли, но общая сложность миссии уже возрастает непропорционально, а надежность снижается.

Из-за этого долгое время у нас рассматривалась именно схема со стыковкой на орбите Земли. Меньший носитель имеет и меньшую цену, и большую востребованность в других программах. Плюсы такой схемы разбивались о простой факт: а где взять носитель грузоподъемностью 45-50 тонн?

Ангара

Пример: Уверен, что сейчас многие вспомнили о нашем носителе «Ангара», который как раз и обещал достаточно большой диапазон нагрузок из-за модульности конструкции.
И именно ее раньше иногда рисовали в этом назначении.

Явно вариант для стыковки на орбите Земли.Увы, это была только оценка.
Как раз слева изображена «Федерация» с блоком «Д», а дальше водородный разгонный блок для выведения связки к Луне. Вскоре стало понятно, что «Ангара-А5» даже со специальной ступенью для этого не подходит.

К сожалению, данная ракета начала разрабатываться в очень сложное время, когда многие решения принимали исходя из неких ограничений, сейчас мало актуальных, и она получилась весьма далёкой от идеала.

Основная идея модульного подхода при проектировании семейства ракет-носителей «Ангара» была в том, чтобы попробовать сделать несколько универсальных модулей, из которых набирать носители разной полезной нагрузки.

Оценка условная, так как лучше всего последнюю ступень под каждый носитель иметь свою, но в первом приближении линейку носителей показывает. Условно говоря, если одномодульная ракета может вывести одну тонну на орбиту, то связав три ракеты, получим три тонны, пять ракет – пять тонн.

Задолго до первого запуска «Ангары» в космос полетела «Дельта-4», построенная с применением такого подхода, а сейчас уже к подобным носителям добавился и тяжелый «Фалкон». Идея не нова и даже не уникальна.

Увы, этот вопрос при разработке «Ангары»решился далеко не лучшим образом. Проблема в том, какую конкретно размерность выбрать для одномодульного носителя? Многое потом успело поменяется, однако параметры, что заложили еще в 90-е, остались. Разработчики хотели закрыть размерностью ракеты все имеющиеся ниши на рынке, но использовать при этом как можно больше из готового оборудования.

В результате получилась такая линейка: «Ангара-А1»,«Ангара-А3», «Ангара-А5»,«Ангара-А7»

2» оказалась бы самой востребованной, а тяжелую «Ангару-А5» можно было бы собирать по требованию из отработанных элементов! Как было бы хорошо, если бы легкая «Ангара-1. При этом она и самая сложная, и пока куда более дорогая в производстве, чем «Протон». Увы, как раз «Ангара-А5» сейчас гораздо нужнее: только она может полностью заменить «Протон» в таком важном направлении, как пуски на ГСО.

Я хорошо помню грустный комментарий к первому этому вывозу «А5» (слева РН «Зенит» для сравнения).

Взяли один РД-171 с «Зенита», распилили на четыре части, поставили их на свой блок и собрали из них ракету».
«Эх.

В частности ПН «Зенита» соответствует «А3» с тремя двигателями, но все равно ракета излишне сложная по числу блоков, циклограмме и многому другому.Значит, и менее надёжная. Конечно, по ТТХ «Ангара» куда совершеннее «Зенита».

Казалось бы, максимальным сталбы «А7». Что куда хуже, «А5» практически максимально возможный носитель при данной компоновке. Но технически это уже сложно сделать. Если вспомнить геометрию, легко понять, что на один блок можно навесить максимум шесть блоков того же диаметра. Если присмотритесь к схеме выше, то увидите, что центральный блок нарисован уже большего диаметра. Центральный блок получается слишком маленьким по сравнению с первой ступенью. Из-за чего проект «А7»был закрыт, на замену была предложена РН «Ангара-А5В» с водородной последней ступенью, но и она до нагрузки, необходимой для лунных пилотируемых миссий, не дотягивает. Значит, никакой унификации нет, и нужно разрабатывать центральный блок с нуля.

«Союз-5» и сверхтяжелый носитель

Что если разработать универсальный носитель, но с блоком другого размера? Собственно, идея лежит на поверхности. Тогда при компоновке модулей, скажем, в три элемента получаем уже 66-69 тонн на орбите Земли. Совсем идеально, если минимально возможный блок имел бы размерность «Протона» – как самый востребованный. А если скомпоновать из пяти модулей, то и мучиться со сборкой не нужно: всё выводится в один пуск, с запасом.Именно так поступили в SpaceXпри разработке «ФалконХэви» –взяли наиболее востребованный носитель и получили сверхтяж. Для сборки на орбите Земли этого уже достаточно.

Тем же временем у нас прошло очень много разнообразных НИРов, посвященных выбору нового носителя в рамках изначальных ограничений, в процессе которых рассмотрено очень много разнообразных вариантов. Было это понятно и у нас, как и проблемы «Ангары», из-за чего она столько времени была в подвешенном состоянии. Вот некоторые варианты от ГРЦ им.Макеева.

Хруничева. Вот от центра им.

Связка из шести блоков на первой ступени (пять боковых и центральный) обеспечивала носителю грузоподъемность около 88 тонн, а при использовании водорода на верхней ступени полезная нагрузка увеличивалась до 108 тонн. После этого для более детальной проработки было выбрано предложение от РКК «Энергия», где одноблочная ракета получила индекс «Союз-5», а все остальные собирались на ее базе с большим уровнем унификаций. Эти варианты должны были напрямую выводить «Федерацию» и посадочный корабль к Луне с последующей стыковкой на орбите.

этот вариант рассматривался еще в 2018 году, когда было решено увеличить как стартовую массу, так и грузоподъемность базового варианта.

Двигатель на нём поменяли с РД-171 на РД-180. В качестве основы всё так же оставалась РН «Союз-5», но увеличение количества боковых блоков с пяти до шести вынудила изменить и центральный блок. После этой версии грузоподъемность базового варианта выросла до 100 тонн, а с водородной верхней ступенью – до 140 тонн. Грубо говоря, изменили тягу в два раза, что уменьшило унификацию между боковыми и центральным блоками, однако такая необходимость была обусловлена самой схемой. Это действительно важный момент, поскольку варианты на пять и шесть блоков сильно отличаются геометрически, и перед началом проектирования стартового комплекса нужно точно знать, какой из них будет выбран. Именно такой вариант, озвученный в конце апреля 2019 года, и был принят за базовый.

Дело в том, что ступень размерами с первую ступень «Зенита» – это практически максимально возможный габарит, что у нас можно доставить на космодром. В наших реалиях есть один нюанс, который следует упомянуть.

Предлагали сплавлять по воде, доставлять колесным транспортом, создавали воздушную систему доставки. За прошедшие годы высказано много предложений по доставке элементов ракетно-космической техники на космодромы. Там есть ограничения по габаритам груза: 3900 мм без остановки встречного движения и 4100 с остановкой. Но планы оставались на бумаге, тяжелые самолеты – в собственности другого государства, и единственным надежным способом оставалась доставка по железной дороге. Сильно не разгуляешься. «Протон» был вписан в 4100 мм, Зенит в 3900. Если посмотрите на другие проекты, то увидите ступени с большими диаметрами.Четыре метра для тяжелых носителей – действительно мало. Возможно, проект «Союза-5» и победил благодаря тому, что все блоки решили упаковать в железнодорожный габарит. Хотелось бы хотя бы пять.

Исходя из этих критериев скомпоновали и РН «Зенит» – в частности, разработали очень эффективный двигатель РД-171, который изначально планировался на новый носитель. Это было понятно достаточно давно. Увы, и его тяга стала ограничивать максимальную массу одноблочного носителя.

Данный носитель попал ровно в промежуток между «Союзом-2» (10 тонн) и «Ангарой-А5» (25 тонн). В результате этих ограничений ПН «Союза-5» удалось повысить с 12 тонн, что были у «Зенита», до 17.Хотя и это не так уж и страшно. На него могут перейти и те нагрузки, которые с определенным недогрузом реализовывались «Протоном». Без него у нас получался слишком большой шаг между доступными РФ носителями. Более того, если нам удастся сохранить «Морской старт», то «Союз-5» с него за счет лучшей географии точки пуска на ГПО/ГСО обойдет по полезной нагрузке даже «Ангару-А5» из Восточного.

Для его создания уже многое есть. Кстати, если в чем я и уверен, так это в том, что «Союз-5» точно доведут и, возможно, даже запустят в оговоренном 2022 году. Стартовый комплекс на Восточном для «Союза-5» планируют создать уже позже, в рамках строительства СК сверхтяжелого носителя. Запускать его планируют с Байконура, со стартового комплекса «Зенита», так что хотя бы для первых пусков его не нужно заметно изменять.Не будем забывать, что стартовый комплекс – это до 60% работ по ракетно-космической системе.

Диаметр отработанный. Двигатель первой ступени тоже в наличии, а это обычно самая сложная деталь. Среди серийных у нас, увы, нет подходящих по тяге. Если с чем и могут быть проблемы, так это с двигателем второй ступени. Остальные либо слишком слабые, либо излишне мощные. Не ставить же древний РД-108 начала космической эры? Прекрасная получилась бы унификация! Например, как было бы хорошо поставить на верхнюю ступень РД-191 (разработка на базе РД-171). Но у него тяга 200 тонн, а нужно около 100.

Но он так хорошо оптимизирован под «Союз», что под более тяжелый носитель масштабируется плохо. Пока на верхнюю ступень планируют поставить сильно измененный двигатель с третьей ступени «Союза-2» — явно подкупает его высокий удельный импульс. Этот двигатель стоял на второй ступени «Зенита» и раньше производился на Украине. Недавно было объявлено про восстановление «Энергомашем» производства РД-120. Хотя бы как вариант, если Воронеж не справится. Очень может быть, что восстанавливают именно с прицелом на «Союз-5».

Первый для выведения к Луне «Федерации» с тормозным блоком, второй для отправки на орбиту Луны лунного посадочного корабля. Как видно на схеме, на базе «Союза-5» можно уже собрать сверхтяжи на 88 и 108 тонн.

Необходимо отметить, что для носителя на 88 тонн нужные двигатели уже имеются или появятся в процессе разработки «Союза-5». Что же еще у нас есть для этого, а что нужно создать?

В первую очередь, это двигатель разгонного блока РД-0146Д.

От базового варианта РД-0146Д должен отличаться повышенным удельным импульсоми многократным включением. Базовый РД-0146 не летал, но прошел все испытания. Проектирование изделия под индексом РД-0150 началось приблизительно пять лет назад. В случае реализации этот двигатель станет рекордсменом по удельному импульсу (470 с) среди кислородно-водородных аналогов.
Единственный двигатель, который здесь нужно разработать с нуля, это двигатель верхней ступени для сверхтяжа на 140 тонн.

Можно устроить целую выставку, на которой показать, что уже готово. Еще больше сделано для «Федерации», вплоть до разработки отдельных комплектующих. На мой взгляд, такая выставка была бы очень полезной в деле популяризации данного направления, так как информационная поддержка сейчас практически отсутствует.Было бы действительно здорово, если бы «Роскосмос» сделал нечто подобное. Вроде выставок, устроенных НАСА в 60-х по программе «Аполлон».Либо стационарную, либо передвижную, на поезде – в последнее время это модно.

Текущий график пусков

Эдакий срез на текущий момент. Теперь попробую описать, как выглядит сейчас наша Лунная программа. Думаю, интересно будет посмотреть на все эти замечательные планы лет через десять.

Ориентировочно 2021-2024

Еще в прошлом году в качестве ПН первых пусков значился макет «Федерации» (что проблемы не составило), но в этом году, похоже, закрутили гайки и уже говорят, что пуски будут проходить уже с кораблем «Федерация», пусть и в тестовом варианте. Заканчивается разработка РН «Союз-5» и проходят его первые пуски с космодрома Байконур. Один из полетов «Федерации» обещают провести к МКС.

Причем и ее планировали использовать для Луны, но своеобразно. Параллельно заканчивается строительство СК «Ангары-А5» и «А5В» на Восточном. В результате, при наличии «А5В», мы при относительно небольших усилиях сможем доставлять на орбиту Луны «Прогрессы», близкие к тем, что летают к МКС. Дело в том, что наш метод доставки на орбиту Луны при помощи разгонного блока хорош тем, что РБ не особо важно, что выводить на данную орбиту.

Для наших планов они не очень нужны. Запуски подобных «Прогрессов-Л» осуществлялись в рамках наших предложений по международной лунной станции «Гетвей». В каком варианте будет лунная станция и будет ли она вообще, сейчас большой вопрос.Более того, станет ли Россия участвовать в одном проекте с Америкой, в свете последних заявлений из Пентагона о запрете на сотрудничество при совместных пусках вопрос ещё больший. После же недавнего заявления Трампа планы в американской лунной программе тоже сильно изменились.

Надеюсь, что успешно. Также в этот период должна полететь наша автоматическая миссия «Луна-25», а если повезет, то и «Луна-26».

Подводных камней я не вижу. В том, что в эти годы все будет относительно близко к моему прогнозу, я уверен. В частности, изготовление баков первого «Союза-5» уже началось Многое «железо» находится в высокой степени готовности.

Именно от этого зависит, что будет дальше. Вопрос в успешности этих миссий.

2024-2027

Параллельно должны нарабатывать статистику «Федерация» и «Союз-5», и если мы всерьёз нацелились на Луну, то должна начаться разработка посадочного модуля. Главная работа, что должна быть проведена в эти годы, это строительство стартового комплекса сверхтяжелой ракеты на космодроме «Восточный». Возможно, это единственный элемент, по которому не заметно подвижек.

Еще на этот период стоял запуск на «Ангаре» нашего шлюзового модуля к «Гетвею» и, возможно, «Прогрессов-Л», но, как уже писал выше, сейчас, похоже, даже в США не знают, в каком варианте будет станция.

Ну и опять возможны несколько посадок лунных автоматических аппаратов, если предыдущие будут успешными.

2028-2032

Лично мне очень хотелось бы это увидеть. Через десять лет мы как раз должны достроить новый стартовый комплекс и начать летать к Луне. Надеюсь, что планы хоть и будут перенесены (их всегда переносят), но все-таки будут и успешно реализованы.

Через десять лет будем знать точно.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть