Что общего у бокса и космических ракет-носителей? И там, и там игроки в сверхлегком весе так же интересны, как тяжеловесы. У сверхлегких ракет-носителей свои преимущества и собственная напряженная борьба за результат и место в небе. Чем сегодня берут победу в запусках малых спутников, каковы векторы развития в сверхлегком весе, кто фавориты — об этом сегодняшний обзор Naked Science. И немного — о баллистике.
Сверхлегкий носитель и его полезная нагрузка
Все космические аппараты люди выводят на орбиту ракетами-носителями. Это большие технические устройства, работа которых — разогнать груз до заданной орбитальной скорости. Они создают движение — стрелу скорости с заданной величиной, направлением в пространстве, высотой, географической точкой и временем. С точностью параметров полученного движения в пределах заданных значений. Точность выведения может влиять на эффективность работы космического аппарата, примеры такой эффективности мы рассмотрим ниже.
У ракет-носителей много характеристик, главная из которых – масса полезной нагрузки. Это наибольшая масса груза, которую ракета способна вывести на низкую (около 200 километров) околоземную орбиту с наклонением в первые десятки градусов, или максимальная расчетная полезная нагрузка при пуске ракеты с самого южного своего старта. От высоты и наклонения орбиты зависит расход топлива ракеты на выведение. Иногда приходится отказываться от части груза, чтобы взять больше топлива. Поэтому для разных высот или характерных орбит (для полярных орбит, для геостационарной) приводится разная полезная нагрузка. Массы полезных нагрузок образуют широкий диапазон, на его краях различаясь примерно в шестьсот тысяч раз.
Бесконечная любовь людей к классификации не обошла и грузоподъемность ракет-носителей. Наибольшие грузы, свыше ста тонн, выводят на орбиту сверхтяжелые носители. На другом конце диапазона находятся полезные нагрузки в сотни и десятки килограммов (а то и еще меньше). Условная граница в 500 кг массы груза отделяет легкие ракеты-носители от более тяжелых классов. Но груз ведь может весить и всего несколько килограмм. Неужели бывают такие небольшие ракеты-носители? Бывают, и они называются «сверхлегкими».
Правда, не существует официального, общепризнанного документа или решения уполномоченной наднациональной организации, точно определяющего максимальную массу груза сверхлегкой ракеты-носителя. Это такая же условность, как и разделение самолетов, подлодок, двигателей и прочей техники на популярные ныне поколения — этакие псевдокатегории, широко распространившиеся с легкой руки журналистов и писателей.
Не будем относить к сверхлегким носителям большие и многотонные боевые межконтинентальные ракеты, переоборудованные для запуска на орбиту. Да, они формально соответствуют — полезная нагрузка у них совсем небольшая, но они создавались для совсем других, не рыночных задач, и не иллюстрируют сегодняшний вектор развития сверхлегких носителей.
В информационном пространстве встречаются значения максимальной полезной нагрузки для сверхлегких ракет-носителей и в 250 кг, и в 100 кг, и другие. И мы не станем здесь определять точную максимальную массу груза и подробно обосновывать свой выбор. Пусть ориентиром будет 50-250 кг. Много это или мало — вопрос риторический. Ибо мал золотник, да дорог; нагрузки и гораздо меньших масс могут решать огромное количество важных задач.
Развитие технологий позволяет сегодня работать с миниатюрными устройствами, уменьшая массу спутников. Гироскопы и акселерометры стоят сейчас в практически любом мобильном телефоне. В том же телефоне вы найдете и оптические камеры, и устройства передачи данных. Оснастите мобильник системой ориентации в пространстве, терморегуляцией и энергией — вот вам и платформа для крошечного космического аппарата. Сразу становится понятно, почему так популярны в последнее десятилетие кубсаты (от английского Cube Satellite – кубический спутник), спутники с корпусом в форме куба с длиной ребра 10 сантиметров.
PhoneSat 2.5. Кубсат, разработанный в исследовательском центре NASA Ames Research Center , Калифорния. Запущен в марте 2014 года Фото: НАСА.
Для простоты разработки и оперирования такими спутниками были созданы стандарты (например, масса не более 1⅓ кг). Одну кубическую единицу обозначают 1U – 1 Unit. Кубсаты можно объединять в связки из двух, трех и более спутников, создавая модульные конструкции, обозначаемые от 2U до 16U.
Понятно, что стоимость выведения кубсата формата U1 очень невелика, то есть укладывается в первые десятки тысяч долларов. Это делает запуск такого спутника доступным очень широкому кругу владельцев и операторов. Стоимость его изготовления тоже не так высока, как у космических аппаратов массой в несколько тонн. Кубсаты могут запускаться попутным грузом больших ракет, и помногу за один пуск. Сотня кубсатов дадут суммарный стартовый нетто-вес всего-то в 130 кг. Плюс небольшой вес адаптера — вспомогательной конструкции для крепления кубсатов в ракете и правильного отделения их на орбите. Сегодня в космос запущено много сотен кубсатов, причем не только на околоземные орбиты, но и в межпланетные полеты.
Но и кубсаты не предел миниатюризации. Совсем недавно появился еще меньший стандарт спутников, это уже фактически «карманные» аппараты-кубики, с длиной ребра всего пять сантиметров и массой не более 250 граммов. Стоимость запуска такого микроспутника составляет всего несколько тысяч долларов. Используя архитектурные решения кубсатов, покеткубы продолжают линию удешевления доступа техники в космос для самых широких кругов пользователей.
FossaSat 1, разработанный Fossa Systems в формате 1P PocketQube. Целью запуска было тестирование нового экспериментально радиочастотного чипа (получил наименование LoRa) и решение образовательных задач. Оснащен разворачиваемыми антеннами. Масса 200 граммов, Запущен 6 декабря 2019 ракетой-носителем Electron в качестве попутной нагрузки.
Конечно, мелкие космические аппараты могут быть и покрупнее, все равно оставаясь в категории малых – например, массой в десятки килограммов. От микроволновки до холодильника в космосе. Их бортовое оборудование и выполняемые полетные задачи варьируются в самых широких пределах. Это и съемка объектов на Земле в различных диапазонах, и образовательные университетские программы, развитие систем связи, различные технологические задачи вроде калибровки наземных систем наблюдения за околоземным космическим пространством, и многое другое.
Птицу видно по полету, или Орбита и ее эффективность
«Чтобы понять всю красоту Лейлы, нужно смотреть на нее глазами Меджнуна», как писал Фирдоуси. Чтобы прочувствовать возможности сверхлегких ракет-носителей, совершим небольшую экскурсию в орбитальную баллистику. А затем вернемся к ракетам, уже с баллистическим пониманием их способностей.
Эти ключевые геометрические параметры орбиты зададут особенности движения по ней — скорость полета, период обращения, особенности прецессии (постепенного поворота орбитальной плоскости в пространстве), прохождение трассы полета по поверхности Земли, и другие моменты.
С какой высоты и под каким углом вести съемку местности и объектов на ней? Чем ниже, тем лучше и подробнее можно рассмотреть интересующие детали — расстояние имеет значение. А чем выше, тем больше подспутниковое пятно обзора. Но тоже до определенного предела — ведь края обзора тонут в атмосферной дымке, не выявляя в ней деталей. Каков наилучший баланс между широтой обзора и детализацией снимка для данного спутника, его аппаратуры и его задачи? Выбор этого баланса определит оптимальную высоту съемки — то есть оптимальную высоту полета.
Кубсаты на околоземной орбите. Изображение: ESA/
А в каком географическом районе проводится съемка? Небольшой спутник можно запустить в интересах наблюдения отдельной местности. И чем меньше спутник и дешевле его запуск, тем доступнее такое решение для отдельного района. Это может быть акватория заданного моря — для контроля рыбных ресурсов, метеоусловий, ледовой обстановки или движения судов. Или нам нужно, допустим, наблюдать за состоянием сельскохозяйственных площадей отдельной области. Точно и быстро наносить на карту региональные пожары. Контролировать горные местности. Да мало ли есть важных региональных задач!
В таком случае необходимо обеспечить такой полет спутника, чтобы он после прохождения экватора поднимался (или, в южном полушарии, опускался) до нужной географической области. Добирался до той широты, на которой лежит целевой район, вплоть до его самых северных (или южных) границ. Это задаст наклонение плоскости орбиты спутника — оно должно быть не меньшим, чем географическая широта района. Ведь если наклонение орбиты недостаточное, то спутник просто «не дотянет» до этой широты, и не пройдет над целью. Наклонение можно сделать и больше широты района съемки — тогда спутник будет прочеркивать заданный район наискось, поднимаясь к полярной зоне или спускаясь оттуда.
Смещение трассы МКС к западу за один виток длительностью полтора часа. Источник: ESA.
Помимо достижения нужной широты, спутник не должен проходить сильно западнее или восточнее целевого района. Иначе район будет виден спутнику лишь в виде линии далеко в дымке горизонта, или не виден вообще. Как часто спутник будет проходить вблизи района, и где именно? Ведь трасса полета — линия из подспутниковых точек на поверхности Земли — в большинстве случаев проходит не через одно и то же место Земли. Земля вращается, и это дает сразу два смещения трассы при каждом витке спутника.
Во-первых, Земля просто немного прокручивается на восток за один виток спутника. Она поворачивается за час на 15 градусов. Низкоорбитальный спутник (возьмем высоту 320 км) делает виток за полтора часа — за это время планета повернëтся на 22,5 градуса. На эти градусы спутник, прилетев в те же широты, пройдет западнее своей прошлой трассы. Для экватора это составит 2505 км — совсем не маленькое смещение. Для широты, например, Краснодара, смещение будет 1774 км: между соседними витками трассы поместится почти пять Кубаней или полтора Чёрных моря. Для широты Москвы смещение низкоорбитального спутника за оборот составит 1413 км. Сколько раз в сутки спутник будет проходить над целевым районом или вблизи него? Задача оптимизируется выбором рабочей орбиты спутника. Она и станет целевой орбитой для сверхлегкой ракеты-носителя.
Солнечно-синхронная – очень популярная орбита
Во-вторых, вращение Земли растягивает ее, как резиновый мяч, в экваториальном направлении. Поэтому экваториальный радиус Земли на 21 км больше, чем на полюсах, где возникает сплюснутость. А по экватору протягивается опоясывающий Землю «экваториальный горб». Если орбитальная плоскость спутника пересекает экватор наклонно, под косым углом, то «экваториальный горб» Земли приближается к спутнику с одной стороны (справа или слева) раньше, чем с другой, и с этой стороны оказывается ближе к спутнику.
Огромная масса «экваториального горба» своей гравитацией притягивает спутник к себе, стаскивая вбок от направления полета и тем самым смещая к себе точку пересечения экватора. А сразу после экватора спутник проходит рядом с другой, оставшейся частью «экваториального горба», которая теперь стала ближней. И испытывает уже его отклоняющее вбок тяготение, точно такое же, ведь «горб» везде одинаков. Другая часть «горба» отклонит траекторию в другую сторону. И выправит полет спутника точно до первоначального направления. Но точка прохождения экватора уже будет смещенной.
Это повторится через полвитка на другой стороне Земли — там точка прохождения экватора сместится на столько же километров (раз орбита круговая и идет на одной высоте). Выходит, что обе точки прохождения экватора сдвинулись за оборот спутника на равное расстояние в согласованном направлении. Это значит, что орбитальная плоскость немного повернулась в пространстве и развернулась независимо от вращения Земли, изменив своё положение относительно звезд. Такое медленное вращение орбитальной плоскости в пространстве с каждым витком спутника называется прецессией плоскости орбиты, или просто прецессией.
Будь Земля идеальным шаром — и никакой прецессии не возникло бы. Но сплюснутость Земли на полюсах заставляет орбиту прецессировать, то есть поворачиваться в пространстве со временем. Скорость прецессии зависит от высоты полета и угла, под которым спутник пересекает экватор — то есть от наклонения орбиты. Вращение Земли и прецессия орбиты дают суммарное смещение трассы полета по земной поверхности за один виток.
Прецессия — штука серьезная. Например, подбором ее скорости можно задать полный поворот орбитальной плоскости в пространстве ровно за один год. В таком случае, облетая вокруг Солнца за год вместе с Землей, орбитальная плоскость согласно с этим делает один годовой оборот в пространстве сама. От этой согласованности орбитальная плоскость весь год будет оставаться под одним и тем же углом к Солнцу — например, всегда перпендикулярно направлению на Солнце. Раз прецессия такой орбиты на полный оборот занимает ровно год, и в точности совпадает с одним оборотом Земли вокруг Солнца, происходя синхронно с ним, орбита называется солнечно-синхронной.
Низкоорбитальный спутник, летящий по такой орбите, никогда не зайдет в тень Земли, будучи освещен круглые сутки. Это обеспечит непрерывный поток электроэнергии с его солнечных батарей и круглосуточную работу спутника без необходимости аккумуляторов, занимающих место на борту и часть массы спутника. А под ним, на земной поверхности, всегда будет лежать граница дня и ночи — линия терминатора. Во всех точках одной половины витка под таким спутником всегда будет местный восход Солнца, на другой половине витка — везде заход. То есть всегда одно и то же (либо восход, либо заход Солнца) местное солнечное время в любой выбранной подспутниковой точке.
И при любой другой ориентации к Солнцу плоскости орбиты с такой прецессией эта ориентация останется почти неизменной («почти» будет небольшим, циклическим, и возникнет из-за небольшой вытянутости земной орбиты). Под спутником в каждой точке будет свое, всегда одно и то же для этой точки местное солнечное время. На широте 30 градусов оно будет всегда неизменным. На широте 50 градусов оно будет другим, но тоже всегда одинаковым для этой точки. И так во всех подспутниковых точках.
Солнечное время – это время по солнцу, его угловому подъему над горизонтом. Неизменное солнечное время даст неизменную длину солнечной тени от любого объекта. Если длина тени изменилась — это значит только одно: изменение высоты объекта. Тень исчезла, или появилась новая — значит, объект исчез, или поднялся новый. Эти отдельные изменения общей статической картины теней в данной местности позволяют легко селектировать и находить изменения поверхностных объектов в наблюдаемой подспутниковой зоне.
Солнечно-синхронные орбиты образуют большое семейство с высотами от 250 – 300 (ниже спуститься не позволит атмосфера) до 1000 километров, чаще высоты лежат в диапазоне 500-700 км. От высоты зависит их наклонение, обеспечивающее условия солнечно-синхронности для этой высоты. Наклонение это всегда немного больше 90 градусов точного прохождения полюса. Например, 96 или 98 градусов. Такие орбиты «заваливаются» за полюс к западу (в северном полушарии Земли), поэтому спутники движутся немного противоположно вращению Земли. Правильно выбрать высоту полета и связать ее с нужным наклонением — вопрос выбора конкретной солнечно-синхронной орбиты, баллистически точно обеспечивающей выполнение полетного задания спутника.
Но чтобы ракета уходила западнее полюса, а не восточнее, ей придется полностью компенсировать свою восточную скорость — наземную скорость точки старта из-за вращения Земли. И после разогнаться немного к западу, против вращения Земли. Это добавочно сжигает топливо по сравнению с запусками на обычные наклонения. Поэтому груз, выводимый на солнечно-синхронные орбиты, всегда поменьше. Полезная нагрузка ракеты для этих орбит снижается примерно с 250 до 150 кг при запуске на высоту 500 км, и до 100 кг для высоты 700 км.
А орбиты, синхронные обороту магнитного поля Земли — магнитосинхронные орбиты? Они позволяют проводить долгие исследования в одной силовой трубке магнитного поля Земли. Здесь нужна соответствующая точная баллистика, дающая долгое движение аппарата вдоль трубки/линии магнитного поля без выхода за ее пределы. Магнитное поле нашей планеты внешне простое, а в деталях сложное. Надо запустить спутник, учитывая эти детали, с такой точностью, чтобы его полет баллистически обеспечил решение полетной исследовательской задачи.
Можно задать синхронные орбиты совсем другого типа — например, совпадающие по времени одного витка с суточным оборотом Земли. Такие орбиты (они называются суточно-синхронные, или просто суточные) не обязательно круговые. Их можно сделать изрядно вытянутыми эллиптическими, с большой высотой апогея. На них спутник за один оборот будет гулять в территориальных пределах одного и того же небольшого района на экваторе, а трасса полета нарисует в нем восьмерку или несимметричную каплеобразную фигуру — но никогда не выйдет за границы региона. Например, вся трасса спутника может располагаться в пределах государства Эквадор. А спутник будет лишь смещаться по от одного края эквадорской границы к другой, никогда не пересекая ее. Что может быть интересно Эквадору с точки зрения непрерывного обзора его территории. И обеспечит такой режим обзора выбранная баллистика конкретной суточной орбиты.
Почему сверхлегкая ракета, а не обычная?
Но довольно об орбитах — их бесчисленное множество в массе всяческих категорий и классификаций, гораздо больше, чем мы затронули примеров. Орбитальная баллистика бесконечна в своих практических применениях, и решает массу задач: гравиметрических, погодных, биоресурсных, пожарных, военных, аварийных, коммуникационных всех видов и диапазонов, исследовательских, технологических. И все они требуют оптимальной, точно отстроенной под каждую задачу, конкретной орбиты.
Вернемся же к нашим крошечным космическим аппаратам. Тратить на их запуск мощную ракету и ее затратный пуск невыгодно. Поэтому всю эту мелочь забрасывают к космос попутно с основной полезной нагрузкой больших ракет. Резонно к баллистике большого груза прицепить и добавку микроспутников — мощный Боливар вывезет и троих, и десятерых, если эти десятеро крохи. Но Боливар сформирует небесную тропу большой полезной нагрузки именно в ее интересах — ведь ради нее он и уходит в полет. А карапузы-попутчики полетят по этой же дороге, разогнанные вместе с основной нагрузкой.
Насколько орбита основного аппарата будет соответствовать полетным задачам мелочи? Вопрос риторический — не хочешь, не запускай; жди, когда отыщется пуск большого груза, подходящий по баллистическим параметрам полетной задаче твоего маленького аппарата. Ждать такого пуска можно несколько лет, а можно и вовсе не дождаться. Приходится мелким аппаратам адаптироваться под планируемые запуски старших по массе братьев, меняя свои предпочтения и перестраивая свои полетные задания, с возможным снижением их эффективности. Иначе можно ждать слишком долго, с риском вообще не реализовать свой малоразмерный проект.
Тут бы и помогла ракета маленькой грузоподъемности с дешевым пуском, чтобы вывести небольшой одиночный или групповой груз на нужную именно ему орбиту. И без долгих ожиданий попутного поезда. Ведь текущая обстановка или задача, ради которой запускают маленькие спутники, может измениться, а актуальность ее закончится. Заказчику часто нужно решить полетную задачу в ближайшие три месяца, а в следующем году она уже будет ему неинтересна.
Поэтому отдельный и недорогой пуск носителя в интересах малых космических аппаратов сильно расширил бы их использование — а значит, и разработки, и производство. Одновременно легкодоступность таких запусков приведет к многократному росту использования космического пространства и данных, добываемых оттуда.
Пуск самой маленькой сверхлегкой ракеты-носителя SS-520-4 3 февраля 2018 года с кубсатом TRICOM-1R.
У сверхмалой ракеты-носителя есть ряд очевидных эксплуатационных преимуществ, связанных с ее относительно небольшими размерами и массой. Длина такой ракеты — метров 10–20, диаметр составляет около одного метра, а стартовая масса варьирует вокруг десятка тонн. Для такой ракеты-носителя потребуется небольшое стартовое сооружение, компактные здания сборки и проверки, заправочная и другая инфраструктура. Не сложна и ее транспортировка. Меньше масса и размеры конструкции — меньше материалоемкость изделия и время на изготовление экземпляра ракеты, затраты на его производство.
Но у сверхлегкой ракеты есть ключевой минус. Это снижение конструктивного совершенства ракеты с уменьшением размеров — тот самый фактор, который работает в плюс с ростом размеров ракеты. А с уменьшением двигателей растет процент газодинамических потерь в них. Простое уменьшение размеров ракеты снизит ее эффективность, что увеличит стоимость запуска килограмма груза на орбиту. Это противоречит замыслу доступности пуска сверхлегких ракет.
Разрешить это противоречие можно только поиском новых конструктивных и технологических решений. Именно в них кроется сегодня ключ к созданию эффективных сверхлегких ракет-носителей, делающих космос широко доступным для малых спутников и небольших организаций и частных лиц. И этим путем идут все разработчики сверхлегких космических ракет.
Поиск конструкционных козырей
Одно из таких решений — сделать топливные баки ракеты не из металла, а из более легких композитных материалов на основе углеродных нитей. Композитные стенки, образуемые намоткой высокопрочных нитей, давно используются в твердотопливных двигателях. Но использовать такие баки для керосина и жидкого кислорода начали в сверхлегкой ракете-носителе Electron американской компании Rocket Lab. Это сделало баки легче металлических, повышая конструктивное совершенство ракеты.
Сверхлегкая ракета-носитель Electron компании Rocket Lab. Корпус ракеты черный из-за использования композита на основе углеродных нитей. Фото: Rocket Lab
В ней же используется другая новинка: топливо в небольшие двигатели Rutherford закачивает не турбонасосный агрегат. При малых размерах он становится слишком сложен и недостаточно эффективен газодинамически. Вместо него топливные компоненты подаются насосами с электрическим приводом, питающимся от литий-полимерных аккумуляторных батарей. Причем они используются поочередно, со сбросом в полете разряженных батарей. Применение электронасосных агрегатов упростило двигатель и управление соотношением сжигаемых компонентов, уменьшило его габариты. Электронасосы сейчас используются и в двигателях Delphin ракеты Rocket 3 компании Astra, и в других сверхлегких ракетах, делая передовое решение типовым.
3D-печать, которой делаются основные части двигателя, упростила и ускорила его производство. Один двигатель Rutherford печатается за сутки. Применение 3D-печати сегодня становится стандартом для производства двигателей сверхлегких ракет-носителей, совсем еще недавно прорывная технология становится обыденной и общепринятой.
Таким же распространенным подходом становится и многоразовость — прежде всего первой ступени, самой большой и дорогой, где сосредоточена основная часть двигателей. Ракета Electron эксплуатируется сейчас в одноразовом варианте, который постепенно трансформируется в многоразовый. Уже сделаны приводнения отработанной ступени в океан на управляемом парашюте. А в дальнейшем планируют подхватывать ступень в воздухе вертолетом на этапе парашютного снижения, и доставлять на базу — и обходиться даже без собственно посадки ступени.
Есть и прямо противоположный подход — сделать ракету не просто одноразовой, но такой, чтобы после запуска от нее вообще ничего не оставалось. Так, компания Astra из Калифорнии делает свою ракету Rocket из алюминия, по толщине приближающегося к жесткой фольге. Ставка делается на наиболее полное сгорание отработанной ступени в атмосфере. А небольшие несгоревшие остатки будут полностью растворяться в соленой океанической воде.
Испытательный пуск сверхлегкой ракеты-носителя Rocket 3.1 компании Astra со стартовой площадке на острове Кадьяк, Аляска. Фото: Astra.
Опробуются и нестандартные схемы двигателей. Так, компания Firefly Aerospace разрабатывала свою ракету Firefly Alpha с клиновоздушным ракетным двигателем на первой ступени. Он поддерживает оптимальный режим расширения истекающих газов на всем диапазоне высот работы первой ступени — от старта с поверхности до выключения в верхней стратосфере. Такому двигателю неведомы режимы стартового перерасширения и высотного недорасширения, поскольку степень расширения автоматически подстраивается под текущее атмосферное давление. И хотя со сменой владельца компания отказалась от столь новаторской ступени, заменив двигатель на обычный кислородно-керосиновый ЖРД, проработка подобных нестандартных схем иллюстрирует поиск эффективных решений для сверхлегких ракет.
Сверхлегкий носитель можно сделать из высотной исследовательской ракеты, дооснастив ее высотной ступенью и разработав новую схему ее полета, процесс и систему управления. Так получилась японская твердотопливная сверхлегкая ракета-носитель SS-520-4. При стартовой массе всего немного больше двух с половиной тонн она вывела 3 февраля 2018 года на орбиту трехкилограммовый кубсат TRICOM-1R. На сегодня она является самой легкой действующей ракетой-носителем.
А еще можно использовать твердотопливные двигатели от ступеней баллистической ракеты средней дальности, как это предусмотрено в конструкции китайской ракеты «Куайчжоу-1A» (KZ-1A) компании China Aerospace Science and Industry Corporstion (CASIC). Ракета использует три твердотопливные ступени и четвертую жидкостную. Два твердотопливных двигателя взяты от баллистической ракеты средней дальности «Дунфэн-21». Запускают ракету с автомобильного шасси, что упрощает транспортировку и стартовое обслуживание.
Старт с мобильной установки использует и китайская «Цзелун-1» компании China Rocket (подразделения CASIC) — тоже четырехступенчатый твердотопливный носитель. Полезная нагрузка размещается у нее необычно, между третьей и четвертой ступенью, находящейся в перевернутом состоянии и выполняющей после отделения от третьей ступени разворот на 180 градусов перед запуском двигателя.
Воздушный старт, со сбросом ракеты с самолета-носителя, давно используется легкой твердотопливной крылатой ракетой-носителем «Pegasus». Однако летающая уже тридцать лет ракета создавалась по технологиям тогдашнего уровня (хотя и новаторским для своего времени), что сделало запуск килограмма ее полезной нагрузки самым дорогим на сегодня. Продолжила использовать воздушный старт новая сверхлегкая ракета-носитель LauncherOne компании Virgin Orbit. Эта полностью жидкостная ракета успешно вывела на орбиту в январе 2021 года 10 кубсатов, в июне прошлого года 7 спутников, и 13 января этого года тоже 7 спутников. Рассматриваются и пуски ракет со стратосферных аэростатов, но до летных испытаний такие проекты пока не дошли.
Пуск ракеты-носителя LauncherOne компании Virgin Orbit, фаза сброса ракеты с самолета-носителя. Фото: Virgin Orbit.
Повышают возможности сверхлегких ракет и через оснащение их специализированными космическими ступенями. Эти ступени могут переводить полезную нагрузку на высокие эллиптические орбиты, на гиперболические траектории для межпланетных полетов, или разводить несколько разных спутников на разные орбиты. Уже упомянутая Rocket Lab разработала для своей ракеты Electron космическую ступень Photon. Она формирует нужный тип орбиты для полезной нагрузки, связь с нагрузкой, прием телеметрии и передачу на Землю, и выполняет другие функции. «Фотон» создается в двух модификациях. Одна низковысотная, для работы с солнечно-синхронной орбитой высотой 550 км, другая межпланетная, с выводом на гиперболу покидания Земли до 40 кг полезной нагрузки. Об этом мы уже писали в нашем материале “Космическая ступень, или Зачем нужен и как работает разгонный блок.” Китайская «Куайчжоу-1A» тоже может своей космической ступенью сформировать до шести разных орбит за один пуск.
Это лишь отдельные примеры многих направлений, в которых идет сейчас поиск концептуальных конструктивных и технологических решений для эффективных сверхлегких ракет-носителей с невысокой стоимостью запуска. Возможны и новые баллистические решения. Например, запуск сверхлегкой ракеты со сверхзвуковой скоростью с тяжелого сверхзвукового самолета или гиперзвукового аппарата-носителя. Или использование для выведения на орбиту аэродинамической подъемной силы новыми крылатыми космическими носителями. Возможно снижение гравитационных потерь запусками с высокой перегрузкой; оптимизация распределения величины тяги и времени работы первой и второй ступеней; решения по точности выведения и другой практической баллистике. Запуски малых аппаратов на гиперболические траектории, до которых сверхлегким носителям осталось совсем немного, распахнут ворота в большой космос для небольших компаний.
Перспективы сверхлегких носителей
Последние годы возникают и закрываются много стартапов по созданию сверхлегких ракет-носителей. Но сделать космическую ракету не так просто, даже сверхлëгкую. Поэтому большинство проектов не доводят свои изделия до летной эксплуатации. Длинный перечень несостоявшихся ракет и закрытых проектов занял бы изрядную часть страницы, но нет смысла приводить названия выбывших. Ряд действующих проектов еще не дошел до стадии летных испытаний или не закончил его успешным выведением на орбиту. Это российская ракета «Таймыр», южнокорейская Blue Whale 1, британские Prime и Skyrora XL, индийская Vikram I, бразильская VLM, японская ZERO, филиппинская Haribon SLS-1, и многие другие. Верно прогнозировать успех очередного кандидата в игроки рынка запусков и перспективы его ракеты так же трудно, как точную форму облаков над Плесецком в полдень следующего вторника.
Работающих сверхлегких носителей сегодня пока немного. Безусловным фаворитом выступает Electron с 20 успешными пусками за последние 4 года (и три или четыре пуска запланированы на текущий год). «Куайчжоу-1A» приближает число успешных пусков у полутора десяткам. Остальные представлены единичными пусками с выведением нагрузки в орбитальное движение, но уже готовятся очередные пуски.
Не будем традиционно оценивать объемы мирового рынка запусков сверхлегких носителей. Его значения постоянно меняются, и cкладывается обычная взаимосвязь развития: спрос рынка запусков вызывает разработку ракет, появление ракет создает предложение и рынок запусков. Рост его реального объëма будет зависеть от того, насколько удастся ракетчикам сделать эффективными свои конструкции и процессы в них.
С ростом летной эксплуатации очередных сверхлегких носителей число новых разработчиков будет расти, их вдохновит пример победителей. А относительно небольшие инвестиционные объемы для стартапов сверхлегких ракет можно привлечь гораздо проще и в большем количестве (по сравнению с финансированием средних и тяжелых носителей). Поэтому стоит ожидать в ближайшее десятилетие широкий забег желающих и гонку разработок сверхлегких ракет. В значительной мере это похоже на развитие малой авиации, ставшей массовой и создающей огромный рынок легких перевозок.
Для некоторых игроков создание работающего сверхлегкого носителя может стать шагом к средним ракетам. Та же Rocket Lab уже создает среднюю ракету Neutron грузоподъемностью 8 тонн на низкую околоземную орбиту. Другие владельцы действующих сверхлегких носителей пока не объявили о разработке средних ракет. Им только предстоит наработать опыт запусков в космос – бесценный актив, с которым проще разворачиваться к более мощной технике.
Определенно можно сказать одно: разработки сверхлегких ракет-носителей нарастают быстрой волной, и со временем все больше сверхлегких ракет будет приниматься в эксплуатацию. К насыщению рынка запусков малых полезных нагрузок это вряд ли приведет – скорее наоборот, будет стремительно расширять этот рынок. Сегодняшние перспективы сверхлегких ракет-носителей выглядят многообещающими. Как они будут воплощаться, мы увидим уже в ближайшие несколько лет.
