Al espacio en un cohete meteorológico: proyectos de vehículos de lanzamiento espacial ultrapequeños
La conquista del espacio ultraterrestre se ha convertido en uno de los logros más importantes y trascendentales de la humanidad. La creación de vehículos de lanzamiento y la infraestructura para su lanzamiento requirió enormes esfuerzos por parte de los países líderes del mundo. En nuestro tiempo, ha existido una tendencia a crear vehículos de lanzamiento totalmente reutilizables capaces de realizar docenas de vuelos al espacio. Su desarrollo y operación aún requiere enormes recursos, que solo pueden ser asignados por estados o grandes corporaciones (nuevamente, con apoyo estatal).
El cohete soviético R-7, que el 4 de octubre de 1957 puso por primera vez un satélite artificial en órbita terrestre, y el concepto del cohete superpesado estadounidense BFR, actualmente potencialmente capaz de convertirse en el vehículo de lanzamiento más avanzado y totalmente reutilizable disponible para la humanidad.
A principios del siglo XXI, la mejora y miniaturización de los componentes electrónicos hizo posible la creación de satélites de pequeño tamaño (los llamados "microsatélites" y "nanosatélites"), cuya masa está en el rango de 1-100 kg. Recientemente, estamos hablando de "picosatélites" (que pesan entre 100 ga 1 kg) y "femto satélites" (que pesan menos de 100 g). Dichos satélites pueden lanzarse como carga de grupaje de diferentes clientes o como carga de paso a naves espaciales "grandes" (SC). Este método de lanzamiento no siempre es conveniente, ya que los fabricantes de nanosatélites (en lo que sigue usaremos esta designación para todas las dimensiones de naves espaciales ultrapequeñas) tienen que adaptarse al horario de los clientes para el lanzamiento de la carga principal, y también debido a las diferencias en las órbitas de lanzamiento.
Esto ha llevado a la aparición de una demanda de vehículos de lanzamiento ultrapequeños capaces de lanzar naves espaciales de entre 1 y 100 kg de peso.
DARPA y KB "MiG"
Hubo y se están desarrollando muchos proyectos de vehículos de lanzamiento ultraligeros, con lanzamiento terrestre, aéreo y marítimo. En particular, la agencia estadounidense DARPA ha estado trabajando activamente en el problema del lanzamiento rápido de naves espaciales ultrapequeñas. En particular, se puede recordar el proyecto ALASA, lanzado en 2012, en el marco del cual se planeó crear un cohete de pequeño tamaño diseñado para ser lanzado desde un caza F-15E y poner satélites de hasta 45 kg en órbita de referencia baja (LEO).
Proyecto ALASA
El motor del cohete instalado en el cohete tenía que operar con monopropulsor NA-7, que incluía monopropileno, óxido nitroso y acetileno. El costo de lanzamiento no debía exceder $ 1 millón. Presumiblemente, fueron los problemas con el combustible, en particular con su combustión espontánea y la tendencia a explotar, lo que puso fin a este proyecto.
En Rusia se estaba elaborando un proyecto similar. En 1997, la oficina de diseño de MiG, junto con KazKosmos (Kazajstán), comenzó a desarrollar un sistema de lanzamiento de carga útil (PN) utilizando un interceptor MiG-31I (Ishim) convertido. El proyecto se desarrolló sobre la base de las bases para la creación de una modificación antisatélite del MiG-31D.
Se suponía que el cohete de tres etapas, lanzado a una altitud de unos 17 metros y una velocidad de 000 km / h, proporcionaría una carga útil de 3000 kg en órbita a una altitud de 300 kilómetros, y una carga útil de 160 kg en una órbita a una altitud de 600 kilómetros.
Concepto MiG-31I
La difícil situación financiera en Rusia a finales de los 90 y principios de los 2000 no permitió que este proyecto se realizara en metal, aunque es posible que surjan obstáculos técnicos en el proceso de desarrollo.
Hubo muchos otros proyectos de vehículos de lanzamiento ultraligeros. Su rasgo distintivo puede considerarse el desarrollo de proyectos por parte de estructuras estatales o grandes corporaciones (prácticamente "estatales"). Las plataformas complejas y costosas, como los cazas, bombarderos o aviones de transporte pesado, a menudo tenían que utilizarse como plataformas de lanzamiento.
Todo esto en conjunto complicó el desarrollo y aumentó el costo de los complejos, y ahora el liderazgo en la creación de vehículos de lanzamiento ultraligeros ha pasado a manos de empresas privadas.
Rocket Lab
Uno de los proyectos más exitosos y famosos de cohetes ultraligeros puede considerarse el vehículo de lanzamiento "Electron" de la empresa estadounidense-neozelandesa Rocket Lab. Este cohete de dos etapas que pesa 12550 kg es capaz de lanzar 250 kg de PS o 150 kg de PS a una órbita síncrona solar (SSO) con una altitud de 500 kilómetros en LEO. La compañía planea lanzar hasta 130 misiles al año.
RN "Electron" y Peter Beck, director ejecutivo de Rocket Lab
El diseño del cohete está hecho de fibra de carbono; los motores a reacción de propulsión líquida (LRE) se utilizan en un par de combustible de queroseno + oxígeno. Para simplificar y reducir el costo del diseño, utiliza baterías de polímero de litio como fuente de energía, sistemas de control neumático y un sistema para desplazar el combustible de los tanques, operando con helio comprimido. En la fabricación de motores de cohetes y otros componentes de cohetes, se utilizan activamente tecnologías aditivas.
Las dimensiones del vehículo de lanzamiento Electron en comparación con las dimensiones de los misiles Soyuz-2.1a, Ariane-5, Falcon 9 y Falcon HAVI.
Cabe señalar que el primer cohete de Rocket Lab fue el cohete meteorológico Kosmos-1 (Atea-1 en idioma maorí), capaz de elevar 2 kg de carga útil a una altitud de unos 120 kilómetros.
Cohete meteorológico "Atea-1" de Rocket Lab
Lin Industrial
El "análogo" ruso de Rocket Lab se puede llamar la empresa "Lin Industrial", que desarrolla proyectos tanto para el cohete suborbital más simple capaz de alcanzar una altitud de 100 km, como para lanzar vehículos diseñados para enviar cargas útiles a LEO y SSO.
Aunque el mercado de cohetes suborbitales (principalmente, como los cohetes meteorológicos y geofísicos) está dominado por soluciones con motores de combustible sólido, Lin Industrial está construyendo su cohete suborbital basado en un motor de cohete de propulsión líquida que funciona con queroseno y peróxido de hidrógeno. Lo más probable es que esto se deba al hecho de que Lin Industrial ve su principal dirección de desarrollo en el lanzamiento comercial del vehículo de lanzamiento en órbita, y es más probable que se utilice el cohete suborbital de propulsor líquido para desarrollar soluciones técnicas.
Cohete suborbital de la empresa "Lin Industrial"
El proyecto principal de la empresa Lin Industrial es el vehículo de lanzamiento ultraligero Taimyr. Inicialmente, el proyecto preveía un diseño modular con una disposición de módulos en serie-paralelo, lo que permite la formación de un vehículo de lanzamiento con la posibilidad de enviar una carga útil de 10 a 180 kg a LEO. El cambio en la masa mínima del misil retirado debía garantizarse cambiando el número de unidades de misiles universales (UBR): URB-1, URB-2 y URB-3 y la unidad de cohetes RB-2 de tercera etapa.
Opciones de implementación para el misil modular Taimyr
- "Taimyr-1A" - un vehículo de lanzamiento de tres etapas. La primera etapa es URB-1 con nueve motores de propulsante líquido, la segunda etapa es URB-2 con un motor de propulsante líquido con un empuje de ~ 400 kgf, y la tercera etapa es URB-3. La masa de lanzamiento es de 2,6 toneladas, la longitud es de 16 m, la masa de carga útil en órbita terrestre baja es de 12 kg.
- "Taimyr-1" es un vehículo de lanzamiento de tres etapas. La primera etapa es URB-1 con un LPRE con un empuje de ~ 4 tf, la segunda etapa es URB-2 con un LPRE con un empuje de ~ 400 kgf y la tercera etapa es URB-3. La masa de lanzamiento es de 2,6 toneladas, la longitud es de 16 m, la masa de carga útil en órbita terrestre baja es de 14 kg.
- "Taimyr-5" es un vehículo de lanzamiento de tres etapas. La primera etapa - 4 URB-1 con un LPRE con un empuje de ~ 4 tf, la segunda etapa - un URB-1 con un LPRE con un empuje de ~ 4 tf, la tercera etapa - URB-2 con un LPRE con un empuje de ~ 100 kgf. La masa de lanzamiento es de 11,2 toneladas, la longitud es de 16 my la masa de carga útil en órbita terrestre baja es de 108 kg.
- "Taimyr-7" es un vehículo de lanzamiento de tres etapas. La primera etapa - 6 URB-1 con un LPRE con un empuje de ~ 4 tf, la segunda etapa - un URB-1 con un LPRE con un empuje de ~ 4 tf, la tercera etapa - URB-2 con un LPRE con un empuje de ~ 100 kgf. La masa de lanzamiento es de 15,6 toneladas, la longitud es de 16 m, la masa de carga útil en la órbita terrestre baja es de hasta 180 kg, en la órbita sincrónica del sol - 85 kg.
Los motores del vehículo de lanzamiento Taimyr deben funcionar con queroseno y peróxido de hidrógeno concentrado, el combustible debe ser suministrado por desplazamiento con helio comprimido. Se espera que el diseño utilice ampliamente materiales compuestos, incluidos CFRP y componentes impresos en 3D.
Más tarde, la compañía Lin Industrial abandonó el esquema modular: el vehículo de lanzamiento se convirtió en un vehículo de dos etapas, con una disposición secuencial de etapas, como resultado de lo cual la apariencia del vehículo de lanzamiento Taimyr comenzó a parecerse a la apariencia del vehículo de lanzamiento Electron de Rocket Lab. Además, el sistema de desplazamiento sobre helio comprimido fue reemplazado por suministro de combustible mediante bombas eléctricas alimentadas por baterías.
Evolución del proyecto del vehículo de lanzamiento ultraligero "Taimyr" de "Lin Industrial"
El primer lanzamiento del Taimyr LV está previsto para 2023.
Aeroespacial IHI
Uno de los vehículos de lanzamiento ultraligeros más interesantes es el cohete japonés de propulsor sólido de tres etapas SS-520 fabricado por IHI Aerospace, creado sobre la base del cohete geofísico S-520 agregando una tercera etapa y el correspondiente refinamiento de los sistemas a bordo. La altura del cohete SS-520 es de 9,54 metros, el diámetro es de 0,54 metros y el peso de lanzamiento es de 2600 kg. La masa de carga útil entregada a LEO es de unos 4 kg.
Lanzamiento RN SS-520-4
El cuerpo de la primera etapa está hecho de acero de alta resistencia, la segunda etapa está hecha de compuesto de fibra de carbono, el carenado de la cabeza está hecho de fibra de vidrio. Las tres etapas son de combustible sólido. El sistema de control SS-520 LV se enciende periódicamente en el momento de la separación de la primera y la segunda etapa, y el resto del tiempo el cohete se estabiliza mediante rotación.
El 3 de febrero de 2018, el SS-520-4 LV lanzó con éxito un cubesat TRICOM-1R con una masa de 3 kilogramos, diseñado para demostrar la posibilidad de crear naves espaciales a partir de componentes electrónicos de consumo. En el momento del lanzamiento, el vehículo de lanzamiento SS-520-4 era el vehículo de lanzamiento más pequeño del mundo, que está registrado en el Libro Guinness de los Récords.
Misiles SS-520
La creación de vehículos de lanzamiento ultrapequeños basados en cohetes meteorológicos y geofísicos de propulsor sólido puede ser una dirección bastante prometedora. Dichos misiles son fáciles de mantener, se pueden almacenar durante mucho tiempo en una condición que garantice su preparación para el lanzamiento en el menor tiempo posible.
El costo de un motor de cohete puede ser alrededor del 50% del costo de un cohete y es poco probable que sea posible alcanzar una cifra menor al 30%, incluso teniendo en cuenta el uso de tecnologías aditivas. Los vehículos de lanzamiento de combustible sólido no utilizan un oxidante criogénico, que requiere condiciones especiales de almacenamiento y repostaje inmediatamente antes del lanzamiento. Al mismo tiempo, para la fabricación de cargas propulsoras sólidas, también se están desarrollando tecnologías de aditivos, que permiten "imprimir" cargas de combustible de la configuración requerida.
Las dimensiones compactas de los vehículos de lanzamiento ultraligeros simplifican su transporte y permiten el lanzamiento desde varios puntos del planeta para obtener la inclinación orbital requerida. Para los vehículos de lanzamiento ultraligeros, se requiere una plataforma de lanzamiento mucho más simple que para los cohetes "grandes", lo que los hace móviles.
¿Existen proyectos para tales misiles en Rusia y sobre qué base pueden implementarse?
En la URSS, se produjo una cantidad significativa de cohetes meteorológicos: MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR-20 y cohetes geofísicos. - 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. Muchos de ellos se basaron en desarrollos militares en misiles balísticos o antimisiles. Durante los años de exploración activa de la atmósfera superior, el número de lanzamientos alcanzó los 600-700 misiles por año.
Cohetes geofísicos de la URSS
Después del colapso de la URSS, el número de lanzamientos y tipos de misiles se redujo radicalmente. Por el momento, Roshydromet utiliza dos complejos: el MR-30 con el cohete MN-300 desarrollado por el NPO Typhoon / OKB Novator y el misil meteorológico MERA desarrollado por KBP JSC.
MR-30 (MN-300)
El misil del complejo MR-30 proporciona el levantamiento de 50-150 kg de equipo científico a una altitud de 300 kilómetros. La longitud del cohete MH-300 es de 8012 mm con un diámetro de 445 mm, el peso de lanzamiento es de 1558 kg. El costo de un lanzamiento del cohete MN-300 se estima en 55-60 millones de rublos.
Modelo del misil y lanzador del complejo MR-30, así como el lanzamiento del misil MN-300
Sobre la base del cohete MN-300, se está considerando la posibilidad de crear un vehículo de lanzamiento ultrapequeño IR-300 agregando una segunda etapa y una etapa superior (de hecho, una tercera etapa). Es decir, de hecho, se propone repetir la experiencia bastante exitosa de implementar el vehículo de lanzamiento ultraligero japonés SS-520.
Al mismo tiempo, algunos expertos opinan que dado que la velocidad máxima del cohete MN-300 es de aproximadamente 2000 m / s, entonces para obtener la primera velocidad cósmica de aproximadamente 8000 m / s, que es necesaria para poner el vehículo de lanzamiento en órbita, puede requerir una revisión demasiado seria del proyecto original. , que es esencialmente el desarrollo de un nuevo producto, que puede llevar a un aumento en los costos de lanzamiento en casi un orden de magnitud y hacerlo no rentable en comparación con la competencia.
Medida
El cohete meteorológico MERA está diseñado para levantar una carga útil de 2-3 kg a una altitud de 110 kilómetros. La masa del cohete MERA es de 67 kg.
Lanzador y lanzamiento del cohete meteorológico MERA
Carga útil del cohete meteorológico MERA
A primera vista, el cohete meteorológico MERA es absolutamente inadecuado para su uso como base para la creación de un vehículo de lanzamiento ultraligero, pero al mismo tiempo, hay algunos matices que permiten cuestionar este punto de vista.
El misil meteorológico MERA es un bicaliber de dos etapas, y solo la primera etapa realiza la función de aceleración, la segunda, después de la separación, vuela por inercia, lo que hace que este complejo sea similar a los misiles guiados antiaéreos (SAM) de los complejos de misiles y cañones antiaéreos Tunguska y Pantsir (ZRPK). En realidad, sobre la base de SAM para los sistemas de misiles de defensa aérea de los complejos indicados, se creó el cohete meteorológico MERA.
La primera etapa es un cuerpo compuesto con una carga propulsora sólida colocada en él. En 2,5 segundos, la primera etapa acelera el cohete meteorológico a una velocidad de 5M (velocidades del sonido), que es de unos 1500 m / s. El diámetro de la primera etapa es de 170 mm.
Cohete meteorológico MERA
La primera etapa del cohete meteorológico MERA, hecha enrollando un material compuesto, es extremadamente liviana (en comparación con estructuras de acero y aluminio de dimensiones similares): su peso es de solo 55 kg. Además, su costo debería ser significativamente menor que el de las soluciones fabricadas con fibra de carbono.
En base a esto, se puede suponer que sobre la base de la primera etapa del cohete meteorológico MERA, se puede desarrollar un módulo de cohete unificado (URM), diseñado para la formación por lotes de etapas de vehículos de lanzamiento ultraligeros.
De hecho, habrá dos módulos de este tipo, se diferenciarán en la boquilla de un motor de cohete, optimizado, respectivamente, para el funcionamiento en la atmósfera o en el vacío. Por el momento, el diámetro máximo de las carcasas fabricadas por JSC KBP por el método de bobinado es supuestamente de 220 mm. Es posible que sea técnicamente factible fabricar carcasas de material compuesto de mayor diámetro y longitud.
Por otro lado, es posible que la solución óptima sea la fabricación de cascos, cuyo tamaño se unificará con cualquier munición para el sistema de misiles de defensa aérea Pantsir, misiles guiados del complejo Hermes o cohetes meteorológicos MERA, lo que reducirá el costo de un solo producto al aumentar el volumen de serie. lanzamiento del mismo tipo de producto.
Las etapas del vehículo de lanzamiento deben reclutarse del URM, sujetadas en paralelo, mientras que la separación de las etapas se llevará a cabo transversalmente; no se proporciona la separación longitudinal del URM en la etapa. Se puede suponer que las etapas de tal vehículo de lanzamiento tendrán una gran masa parásita en comparación con un cuerpo monobloque de mayor diámetro. Esto es parcialmente cierto, sin embargo, el bajo peso de la caja de materiales compuestos permite nivelar en gran medida este inconveniente. Puede resultar que una caja de gran diámetro, hecha de acuerdo con una tecnología similar, sea mucho más difícil y costosa de producir, y sus paredes tendrán que hacerse mucho más gruesas para asegurar la rigidez necesaria de la estructura que la de los URM conectados por un paquete, por lo que al final hay muchas soluciones monobloque y paquete. será comparable a un menor costo de este último. Y es muy probable que un cuerpo monobloque de acero o aluminio sea más pesado que uno compuesto apilado.
El concepto de un vehículo de lanzamiento ultraligero MERA-K basado en el KRM, basado en la primera etapa del cohete meteorológico MERA (la imagen se realizó sobre la base del vehículo de lanzamiento modular Taimyr de la empresa Lin Industrial)
La conexión en paralelo del URM se puede realizar utilizando elementos planos compuestos fresados ubicados en las partes superior e inferior del escalón (en los puntos de estrechamiento del cuerpo del URM). Si es necesario, se pueden usar reglas adicionales hechas de materiales compuestos. Para reducir el costo en la estructura, materiales industriales tecnológicos y baratos, se deben usar adhesivos de alta resistencia tanto como sea posible.
De manera similar, las etapas de BT pueden estar interconectadas por elementos tubulares compuestos o de refuerzo, y la estructura puede ser inseparable, cuando las etapas están separadas, los elementos portantes pueden ser destruidos por cargas pirotécnicas de manera controlada. Además, para aumentar la confiabilidad, las cargas pirotécnicas pueden ubicarse en varios puntos ubicados secuencialmente de la estructura de soporte e iniciarse tanto por encendido eléctrico como por encendido directo de la llama de los motores de la etapa superior, cuando se encienden (para disparar la etapa inferior si el encendido eléctrico no funcionó).
El refuerzo de fibra de vidrio compuesto de construcción tiene alta resistencia, bajo peso y alta resistencia a la corrosión. Es posible que se pueda utilizar en la fabricación de elementos portantes de un vehículo de lanzamiento ultraligero.
El vehículo de lanzamiento se puede controlar de la misma manera que en el vehículo de lanzamiento ultraligero japonés SS-520. La opción de instalar un sistema de control de comando por radio, similar al instalado en el sistema de misiles de defensa aérea Pantsir, también se puede considerar para corregir el lanzamiento del vehículo de lanzamiento al menos en una parte de la trayectoria de vuelo (y posiblemente en todas las etapas del vuelo). Potencialmente, esto reducirá la cantidad de equipo costoso a bordo de un cohete de un solo uso al llevarlo a un vehículo de control "reutilizable".
Se puede suponer que, teniendo en cuenta la estructura de soporte, los elementos de conexión y el sistema de control, el producto final podrá entregar una carga útil que pesa desde varios kilogramos hasta varias decenas de kilogramos a LEO (dependiendo del número de módulos de cohetes unificados en las etapas) y competir con el ultraligero japonés SS-LV. 520 y otros vehículos de lanzamiento ultraligeros similares desarrollados por empresas rusas y extranjeras.
Para la comercialización exitosa del proyecto, el costo estimado de lanzamiento del vehículo de lanzamiento ultraligero MERA-K no debe exceder los $ 3,5 millones (el vehículo de lanzamiento SS-520 tiene dicho costo de lanzamiento).
Además de las aplicaciones comerciales, el vehículo de lanzamiento MERA-K se puede utilizar para el lanzamiento de emergencia de naves espaciales militares, cuyo tamaño y peso también disminuirán gradualmente.
Asimismo, los desarrollos obtenidos durante la implementación del proyecto MERA-K LV se pueden utilizar para crear armas avanzadas, por ejemplo, un complejo hipersónico con una ojiva convencional en forma de planeador compacto, que se deja caer después del lanzamiento del LV al punto superior de la trayectoria.
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