Космос в открытом доступе

Государству нужна не одна супермощная ракета-носитель, а парк СВ

Как известно, основной документ, определяющий интересы государства, главные цели, приоритеты и задачи России в области исследования, освоения и использования космического пространства, – это утвержденные президентом РФ Владимиром Путиным в апреле 2013-го «Основы госполитики РФ в области космической деятельности на период до 2030 года и дальнейшую перспективу».

В соответствии с этим документом основные приоритеты – обеспечение гарантированного доступа России в космос со своей территории с развитием и использованием космической техники, технологий, работ и услуг в интересах социально-экономической сферы и обороны страны, а также безопасности государства; создание космических средств в интересах науки; деятельность, связанная с осуществлением пилотируемых полетов, в том числе и создание научно-технического задела для осуществления в рамках международной кооперации пилотируемых полетов к планетам и другим телам Солнечной системы.

Реализация этих целей обеспечивается благодаря использованию и развитию существующих научно-технического и производственного потенциалов по созданию перспективных средств выведения, межорбитальных буксиров, целевых и служебных систем автоматических космических аппаратов (КА), пилотируемых кораблей нового поколения, элементов инфраструктуры для деятельности в дальнем космосе и прорывных технологий для решения целевых задач и производственных технологий.

Результатом станут сохранение статуса России как одной из ведущих космических держав, подтверждение самодостаточности в обеспечении собственной космической деятельности по всему спектру задач, требующих создания орбитальной группировки космических аппаратов, базирующихся на экономически эффективном парке российских средств выведения (СВ).

Необходимость сохранения устойчивых позиций и конкурентоспособности на рынке пусковых услуг является побудительным мотивом совершенствования технико-экономических показателей СВ, в первую очередь повышения их энергетических возможностей.

Наиболее наглядно все эти факторы проявились на примере самого экономически успешного продукта российской космонавтики – РН тяжелого класса «Протон». Именно выход РН «Протон» на международный рынок пусковых услуг и его постоянная модернизация позволили ГКНПЦ им. М. В. Хруничева выжить в 90-х и «нулевых» и сохранить производственную кооперацию, обеспечивая поддержание российской орбитальной группировки КА и участие в международных проектах.

Полезная нагрузка на весах конкуренции

Чтобы определиться, какие именно СВ развивать в ФКП-2025, надо понимать, что энергетические возможности РН определяются массой полезной нагрузки, выводимой на рабочую орбиту. Часто, хотя и не совсем корректно при оценке энергетики РН используется низкая околоземная орбита высотой 200 километров и наклонением, равным широте точки старта. Для функционирования КА эту орбиту в качестве рабочей не применяют, потому что из-за торможения атмосферы время существования КА на ней не превышает недели. Среди многообразия КА самый дорогой и ресурсоемкий рынок телекоммуникационных КА, работающих на геостационарной орбите.

Есть две особенности проведения коммерческих запусков телекоммуникационных КА. Масса коммерческих КА растет быстрее, чем запускаемых по федеральным программам. Но как можно видеть на графике, даже масса коммерческих КА далеко не беспредельна и для их запуска совсем не требуется РН сверхтяжелого класса (РН СТК) типа SLS.

Есть и отличия в баллистической схеме коммерческих запусков. Так сложилось, что зарубежные КА в отличие от отечественных выводятся не сразу на геостационарную орбиту, а на промежуточную высокоапогейную «стандартную геопереходную орбиту». КА, отделившийся от РН на ней, после баллистической паузы около пяти часов в апогее орбиты с помощью собственной двигательной установки отрабатывает импульс, обеспечивающий формирование геостационарной орбиты. С учетом расхода топлива масса полезной нагрузки, выводимой на промежуточную геопереходную орбиту, должна быть примерно в 1,6 раза больше, чем на рабочей орбите, то есть геостационарной.

Но вернемся к «Протону» – как раз необходимость поддержания конкурентоспособности на рынке пусковых услуг стала причиной проведения за счет средств от коммерческих пусков РН «Протон» четырех этапов ее модернизации – от исходного варианта «Протон-К» до «Протона-М» и разработки для РН «Протон» нового разгонного блока (РБ) «Бриз-М», что позволило увеличить массу полезной нагрузки, выводимой на геостационарную орбиту, с 2,6 до 3,5 тонны и на геопереходную орбиту – с 4,5 до 6,3 тонны. Но каким бы хорошим носителем ни был «Протон», его запуски производятся не с территории России. Есть проблемы и с поставкой горючего для «Протона» – высокотоксичного гептила, применяемого на боевых ракетах и относящегося к веществам первого, самого высокого класса опасности.

Руководство страны поставило перед отраслью задачу обеспечения гарантированного доступа в космос со своей территории – запуски КА должны производиться ракетами, разработанными и изготовленными в России. Кроме того, надо повысить экологическую безопасность запусков за счет отказа от использования токсичного топлива.

Решить эти задачи должна программа создания РН тяжелого класса «Ангара», которая обеспечит гарантированное выведение на геостационарную орбиту телекоммуникационных и метеорологических КА и КА, обеспечивающих оборону и безопасность государства.

К сожалению, РН «Ангара» создавалась довольно долго. Постановление правительства РФ о разработке проекта космического ракетного комплекса (КРК) тяжелого класса было принято по результатам конкурса, проведенного за 22 года до первого пуска РН. Реальное финансирование программы началось после 2005-го. Оно позволило провести два успешных испытательных пуска в 2014 году и запланировать пуски РН с целевыми полезными нагрузками с 2016-го. При пуске с космодрома Плесецк энергетические возможности РН «Ангара-А5» с криогенным РБ КВТК обеспечат выведение на геостационарную орбиту полезной нагрузки массой 4,5 тонны, а на стандартную геопереходную орбиту – 7,5 тонны (при применении РБ «Бриз-М» – 2,9 и 5,4 тонны соответственно).

При развертывании КРК «Ангара» на космодроме Восточный энергетические возможности РН «Ангара-А5» с кислородно-водородным РБ КВТК обеспечат выведение на геостационарную орбиту полезной нагрузки массой до пяти тонн, а на геопереходную орбиту – до восьми тонн. Этот запас энергетики достаточен в ближайшей перспективе для запуска КА по федеральным программам, но не позволяет конкурировать за запуск КА верхнего ценового диапазона с новыми зарубежными РН тяжелого класса повышенной грузоподъемности – Delta-IVH, Ariane-5ECA и Atlas-5. В частности, РН Atlas-5 500-й серии выводит на геопереходную орбиту до 8,7 тонны, а самая мощная из РН, используемая для запуска КА Минобороны США (Delta-IVH), обеспечивает выведение на геопереходную орбиту полезной нагрузки массой до 13,1 тонны.

После всестороннего анализа приоритетов и требований к энергетическим возможностям СВ, а также состояния рынка космических услуг НТС Роскосмоса определил, что для решения задач в космическом пространстве, в том числе выведения перспективных КА массой не менее семи тонн на геостационарную орбиту и 12 тонн на геопереходную, потребуется РН, способная вывести не менее 35 тонн полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту.

Такая РН – «Ангара-А5В» может быть создана путем замены кислородно-керосиновой третьей ступени РН «Ангара-А5» на кислородно-водородную ступень новой разработки. РН «Ангара-А5В» максимально унифицирована с созданной РН «Ангара-А5», в том числе по объектам наземной космической инфраструктуры. По энергетическим возможностям РН «Ангара-А5В» будет соответствовать разрабатываемым в настоящее время зарубежным РН повышенной грузоподъемности типа Ariane-6 (Европа), «Вулкан» (США), CZ-5 (Китай) и Н-3 (Япония) и обеспечит в ближней перспективе конкурентоспособность российских СВ тяжелого класса на мировом рынке космических услуг.

Наши тяжелые РН «Протон-М» и «Ангара-А5» с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) соизмеримы с иностранными РН и по тягооворуженности, и по массам полезной нагрузки, выводимым на заданные орбиты.

С газом или без газа

В настоящее время парк отечественных СВ состоит из РН легкого класса «Рокот», РН среднего класса «Союз» с РБ «Фрегат» и РН тяжелого класса «Протон» с РБ «ДМ» и «Бриз-М».

В ближайшей перспективе «гептильные» РН «Рокот» и «Протон» сменят экологически чистые РН семейства «Ангара». При этом предусматривается совершенствование технологии и снижение стоимости серийных РН «Ангара-А5». Запланированы также работы по замене «гептильного» РБ «Фрегат» на малоразмерный РБ «МЛ» на экологически безопасных компонентах. Также планируется замена ветерана отечественной ракетной техники РН «Союз» на перспективную РН среднего класса, создаваемую в рамках опытно-конструкторской работы «Феникс». При ее разработке предполагается реализовать перспективные технологии, обеспечивающие повышение эксплуатационных характеристик, в том числе применение в качестве ракетного горючего сжиженного природного газа (СПГ).

Чем интересен СПГ? Основное преимущество – принципиальная возможность снижения стоимости двигательной установки (ДУ) РН за счет радикального понижения рабочего давления в камере сгорания двигателя (с 250–260 до 160–170 атмосфер) при незначительном (≈4%) повышении пустотного удельного импульса. Прирост последнего параметра позволяет сохранить достигнутый уровень энергомассовых характеристик ступеней РН, несмотря на вдвое меньшую плотность СПГ по сравнению с керосином. Особенность жидкостных ракетных двигателей на СПГ – возможность разработки двигателя восстановительной схемы, менее склонного к скоротечному взрывному развитию аварийных ситуаций. В целом предварительные технико-экономические оценки показывают, что можно ожидать снижения стоимости ДУ на СПГ примерно в 1,5 раза по сравнению с ДУ на базе существующих керосиновых ЖРД высокого давления, что позволит повысить конкурентоспособность отечественных РН.

Оценивая опыт создания РН сверхтяжелого класса, следует отметить, что «Энергия» – «Буран», безусловно, апогей отечественной ракетной техники, выдающаяся программа с точки зрения организации, концентрации ресурсов, достижений в области разработки новых конструкционных и теплозащитных материалов, освоения технологий создания мощных керосиновых и водородных двигателей, производства и перевозки больших объемов жидкого водорода, гиперзвуковой аэродинамики и др. Вся страна работала на нее, но развернуть на орбите эту космическую систему у государства не было средств, сил и целевых задач. При этом за 10 лет работы по созданию комплекса «Энергия» – «Буран» было потрачено свыше трети средств, выделенных на космическую деятельность, что сказалось на эффективности реализации других ее направлений.

В этот период Европейское космическое агентство (ЕКА) разработало и начало проводить пуски РН среднего класса Ariane-4. Компания Arianspace с этой ракетой заняла больше половины рынка коммерческих запусков на геопереходную орбиту и, заработав деньги, создала РН тяжелого класса Ariane-5, которая до сих пор обеспечивает реализацию космических программ ЕКА и удерживает свыше 40 процентов мирового рынка пусковых услуг.

Газета «ВПК» (№ 27) писала: «...Пентагон должен испытывать чувство глубокого удовлетворения, наблюдая за тем, как Россию уводят все дальше и дальше от создания современных сверхтяжелых РН», но оценки показывают, что все военные задачи в обозримой перспективе Пентагон будет решать, используя РН тяжелого класса типа Delta IVH и Atlas-5, а не РН SLS, создаваемую для межпланетных полетов. Энергетические возможности РН 25-тонного класса «Ангара-А5» и РН 130-тонного класса SLS сравнивать некорректно – это все равно, что сказать: «130-тонный самосвал круче, чем КамАЗ, а «Газель» вообще не машина». Вовсе нет: любое транспортное средство – машина или ракета, чтобы быть эффективным, должно эксплуатироваться вблизи верхнего предела своих энергетических возможностей. Если гонять РН порожняком, возрастает удельная стоимость выведения полезной нагрузки, а это один из главных показателей эффективности РН. Поэтому государству нужна не одна супермощная РН, а оптимально сбалансированный под конкретные полезные нагрузки парк СВ различной грузоподъемности. Если таких полезных нагрузок для РН нет, то она рискует разделить судьбу «Энергии». Кстати, показательно, что две ракеты «Сатурн-5» по окончании программы полетов на Луну НАСА и Минобороны США отправили в музей, не найдя для них полезной нагрузки.

Вопрос о целевом использовании РН СТК рассматривался на НТС Роскосмоса – пришли к выводу, что потребности в выведении моногрузов массой 50–70 тонн ранее 2030–2035 годов нет. Приоритеты космической отрасли России, повторимся, определены в «Основах госполитики в области космической деятельности...» Первоочередные задачи – развитие орбитальных группировок КА научного, социально-экономического и двойного назначения. Именно поэтому по направлению разработки РН сверхтяжелого класса НТС Роскосмоса принял решение до 2025 года ограничиться созданием научно-технического задела и отработкой перспективных технологий.

Надо признать, что сейчас состояние отечественной орбитальной группировки КА, мягко говоря, не самое благополучное. В частности, группировка КА дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) состоит всего из семи КА и удовлетворяет запросы отечественных потребителей на уровне 20–30 процентов, тогда как группировки КА ДЗЗ США, европейских стран и Китая состоят более чем из 35 КА каждая, обеспечивая глобальный контроль поверхности Земли, в том числе и в радиолокационном диапазоне. Даже в Индии группировка КА ДЗЗ включает 17 КА. Вот куда в первую очередь и должны пойти средства ФКП-2025 – в развитие КА связи, навигации, ДЗЗ, метеорологии, в том числе КА с высоким всепогодным пространственным разрешением, что особенно актуально для Сибири, Крайнего Севера, Арктики и Дальнего Востока.

Как показывают баллистические расчеты, при запуске с космодрома Восточный оптимизированный вариант РН «Ангара-А5В» с модернизированным криогенным РБ КВТК-В обеспечит выведение на геопереходную орбиту полезной нагрузки массой до 11,9 тонны и на геостационарную орбиту – до 7,2 тонны, а также возможность реализации начального этапа лунной пилотируемой программы с использованием четырехпусковой схемы (см. рис.): два парных запуска РН, обеспечивающих раздельную доставку на окололунную орбиту лунного посадочно-взлетного комплекса (ЛПВК) и пилотируемого транспортного корабля (ПТК) с их стыковкой на орбите искусственного спутника Луны (ОИСЛ) и последующей посадкой ЛПВК с экипажем на поверхность Луны.

Типовой парный запуск включает выведение на баллистическую траекторию полезной нагрузки в составе ПТК или ЛПВК и малоразмерного межорбитального кислородно-керосинового буксира (МОБ2), создаваемого на базе РБ «ДМ», который обеспечит довыведение полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту и последующую стыковку с тяжелым криогенным межорбитальным буксиром (МОБ1), разрабатываемым на базе задела по РБ КВТК. МОБ1 со стартовой массой более 38 тонн выводится по схеме с довыведением вторым запуском РН «Ангара-А5В». После стыковки на низкой околоземной орбите и фазирования собранный лунный межорбитальный корабль за счет энергетики МОБ1 сначала выводится на высокоэллиптическую орбиту. После выработки топлива водородный МОБ1 отделяется и керосиновый МОБ2 завершает формирование отлетной траектории. Далее МОБ2 обеспечивает коррекцию траектории на перелете к Луне и перевод полезной нагрузки на окололунную орбиту. Проект ФКП-2025 предусматривает проведение работ по указанным средствам.

Безусловно, многопусковая схема довольно сложна, она требует высочайшей координации: стартовая команда должна работать одновременно на двух ПУ, как часы. Предварительные технико-экономические оценки показывают: использование на начальном этапе лунной пилотируемой программы многоцелевой РН повышенной грузоподъемности 35-тонного класса взамен специализированной сверхтяжелой 80-тонной РН позволит более чем на порядок снизить финансовые затраты, а сэкономленные ресурсы можно употребить в интересах развития отечественной орбитальной группировки КА социально-экономического, научного и двойного назначения.

Что касается использования твердотопливных ускорителей (ТТУ) в составе РН, здесь надо отметить, что ракетные двигатели на твердом топливе (РДТТ) в сравнении с ЖРД имеют не только преимущества, но и недостатки – пониженный на ~10–30 процентов удельный импульс тяги, худшее весовое совершенство конструкции, пожаровзрывоопасность производства и снаряжения топливного заряда, ограничение по времени работы, по регулированию тяги, по температурным условиям при пуске, вредное воздействие продуктов сгорания на окружающую среду. Кроме того, надо учитывать повышенную на 30–40 процентов стоимость РН с РДТТ по сравнению с РН с ЖРД и необходимость вложения значительных средств в развитие производственной, технологической и испытательной базы создания крупногабаритных РДТТ.

Использование крупноразмерных РДТТ в составе РН многократно рассматривалось в отечественных проектах, но учитывая вышеперечисленные факторы, по итогам сравнения альтернатив выбор неизменно делался в пользу ЖРД. Россия – лидер в разработке и производстве маршевых ЖРД, которые приобретают заказчики в том числе и из США. В проекте ФКП-2025 запланирована и отработка технологии создания стартового РДТТ с тягой примерно 100 тонн. Целесообразность использования РДТТ в перспективных РН, например в том же «Фениксе», будет определена позже, по результатам детального анализа.

В заключение: понятно, что проект ФКП-2025 можно продолжать совершенствовать, тем не менее в части развития средств выведения этот документ достаточно сбалансирован, он отражает реальное состояние дел и определяет перспективы развития данного направления отрасли до 2025 года с учетом установленных приоритетов космической деятельности и возможностей государства по ее финансированию.

Юрий Коптев, председатель научно-технического совета Роскосмоса, доктор технических наук

Опубликовано в выпуске № 32 (598) за 26 августа 2015 года