Penaklukan angkasa lepas telah menjadi salah satu pencapaian yang paling penting dan membuat zaman manusia. Penciptaan kenderaan pelancaran dan infrastruktur untuk pelancarannya memerlukan usaha yang luar biasa dari negara-negara terkemuka di dunia. Pada zaman kita, ada kecenderungan untuk membuat kenderaan pelancaran yang dapat digunakan semula sepenuhnya yang mampu melakukan puluhan penerbangan ke angkasa lepas. Pembangunan dan operasi mereka masih memerlukan sumber yang besar, yang hanya dapat diperuntukkan oleh negeri atau syarikat besar (sekali lagi, dengan sokongan negara).
Pada awal abad XXI, peningkatan dan miniaturisasi komponen elektronik memungkinkan untuk membuat satelit bersaiz kecil (yang disebut "mikrosatelit" dan "nanosatelit"), jisimnya berkisar antara 1-100 kg. Baru-baru ini, kita bercakap mengenai "picosatellites" (berat dari 100 g hingga 1 kg) dan "femto satelit" (berat kurang dari 100 g). Satelit seperti itu dapat dilancarkan sebagai muatan kumpulan dari pelanggan yang berlainan atau sebagai muatan ke kapal angkasa "besar" (SC). Kaedah pelancaran ini tidak selalu mudah, kerana pengeluar nanosatellites (dalam apa yang berikut kita akan menggunakan sebutan ini untuk semua dimensi kapal angkasa ultra kecil) harus menyesuaikan diri dengan jadual pelanggan untuk pelancaran kargo utama, dan juga kerana perbezaan dalam orbit pelancaran.
Ini telah menyebabkan munculnya permintaan untuk kenderaan pelancaran ultra kecil yang mampu melancarkan kapal angkasa dengan berat sekitar 1-100 kg.
DARPA dan KB "MiG"
Terdapat dan sedang dikembangkan banyak projek kenderaan pelancaran ultralight - dengan pelancaran darat, udara dan laut. Khususnya, agensi Amerika DARPA secara aktif menangani masalah pelancaran kapal angkasa ultra-kecil yang pantas. Khususnya, seseorang dapat mengingat projek ALASA, yang dilancarkan pada tahun 2012, dalam kerangka yang mana ia dirancang untuk membuat roket bersaiz kecil yang dirancang untuk meluncurkan dari pesawat tempur F-15E dan melancarkan satelit dengan berat hingga 45 kg ke orbit rujukan rendah (LEO).
Enjin roket yang dipasang di roket harus beroperasi pada monopropellan NA-7, termasuk monopropilena, nitrat oksida dan asetilena. Kos pelancarannya tidak melebihi $ 1 juta. Agaknya, masalah dengan bahan bakar, khususnya dengan pembakaran spontan dan kecenderungan meletup, yang menghentikan projek ini.
Projek serupa sedang dijalankan di Rusia. Pada tahun 1997, biro reka bentuk MiG, bersama dengan KazKosmos (Kazakhstan), mulai mengembangkan sistem peluncuran muatan (PN) menggunakan pemintas MiG-31I (Ishim) yang telah ditukar. Projek ini dikembangkan berdasarkan landasan untuk penciptaan modifikasi anti-satelit MiG-31D.
Roket tiga tahap, dilancarkan pada ketinggian sekitar 17.000 meter dan kecepatan 3,000 km / jam, seharusnya memberikan muatan berat 160 kg ke orbit pada ketinggian 300 kilometer, dan muatan berat 120 kg ke orbit pada ketinggian 600 kilometer.
Keadaan kewangan yang sukar di Rusia pada akhir 90-an dan awal 2000-an tidak membenarkan projek ini dilaksanakan dalam bentuk logam, walaupun ada kemungkinan halangan teknikal mungkin timbul dalam proses pembangunan.
Terdapat banyak projek kenderaan pelancaran ultralight. Ciri yang membezakan mereka dapat dianggap sebagai pengembangan projek oleh struktur negara atau syarikat besar (hampir "negara"). Platform yang kompleks dan mahal seperti pejuang, pengebom, atau pesawat pengangkutan berat sering terpaksa digunakan sebagai platform pelancaran.
Semua ini bersama-sama menyulitkan pembangunan dan meningkatkan kos kompleks, dan kini kepemimpinan dalam pembuatan kenderaan pelancaran ultra ringan telah menjadi milik syarikat swasta.
Makmal roket
Salah satu projek roket ultralight yang paling berjaya dan terkenal boleh dianggap sebagai kenderaan pelancaran "Electron" syarikat Rocket Lab Amerika-New Zealand. Roket dua tahap ini dengan jisim 12,550 kg mampu melancarkan 250 kg PS atau 150 kg PS ke orbit segerak matahari (SSO) dengan ketinggian 500 kilometer ke LEO. Syarikat itu merancang untuk melancarkan 130 peluru berpandu setahun.
Reka bentuk roket terbuat dari serat karbon; enjin jet propelan cecair (LRE) digunakan pada sepasang bahan bakar minyak tanah + oksigen. Untuk mempermudah dan mengurangkan kos reka bentuk, ia menggunakan bateri lithium-polymer sebagai sumber kuasa, sistem kawalan pneumatik dan sistem untuk mengalihkan bahan bakar dari tangki, yang beroperasi pada helium termampat. Dalam pembuatan enjin roket propelan cecair dan komponen roket lain, teknologi aditif digunakan secara aktif.
Dapat diperhatikan bahawa roket pertama dari Rocket Lab adalah roket meteorologi Kosmos-1 (Atea-1 dalam bahasa Maori), yang mampu mengangkat muatan 2 kg ke ketinggian kira-kira 120 kilometer.
Industri Lin
"Analog" Rusia dari Rocket Lab boleh disebut syarikat "Lin Industrial", yang mengembangkan projek untuk roket suborbital paling sederhana yang mampu mencapai ketinggian 100 km, dan melancarkan kenderaan yang dirancang untuk menghasilkan muatan ke LEO dan SSO.
Walaupun pasaran untuk peluru berpandu suborbital (terutama seperti roket meteorologi dan geofizik) didominasi oleh penyelesaian dengan mesin bahan bakar pepejal, Lin Industrial membangun roket suborbitalnya berdasarkan mesin roket bahan bakar cair yang didorong oleh minyak tanah dan hidrogen peroksida. Kemungkinan besar ini disebabkan oleh fakta bahawa Lin Industrial melihat arah pengembangan utamanya dalam pelancaran kenderaan pelancaran secara komersial ke orbit, dan roket suborbital propelan cecair lebih cenderung digunakan untuk mengembangkan penyelesaian teknikal.
Projek utama Lin Industrial adalah kenderaan pelancaran ultra ringan Taimyr. Pada mulanya, projek ini menyediakan susun atur modular dengan susunan modul paralel seri, yang memungkinkan pembentukan kenderaan pelancaran dengan kemungkinan menghasilkan muatan berat dari 10 hingga 180 kg ke LEO. Perubahan jisim minimum kenderaan pelancaran yang dilancarkan harus dipastikan dengan mengubah jumlah unit peluru berpandu universal (UBR) - URB-1, URB-2 dan URB-3 dan unit roket RB-2 tahap ketiga.
Enjin kenderaan pelancaran Taimyr mesti beroperasi pada minyak tanah dan hidrogen peroksida pekat; bahan bakar mesti dibekalkan dengan perpindahan dengan helium termampat. Reka bentuk ini diharapkan dapat menggunakan bahan komposit secara meluas, termasuk plastik bertetulang gentian karbon dan komponen bercetak 3D.
Kemudian, syarikat Lin Industrial meninggalkan skema modular - kenderaan pelancaran menjadi dua tahap, dengan susunan langkah berurutan, akibatnya penampilan kenderaan pelancaran Taimyr mulai menyerupai penampilan kenderaan pelancaran Elektron oleh Makmal Roket. Juga, sistem perpindahan pada helium termampat digantikan dengan bekalan bahan bakar menggunakan pam elektrik yang dikuasakan oleh bateri.
Pelancaran pertama Taimyr LV dirancang pada tahun 2023.
Aeroangkasa IHI
Salah satu kenderaan pelancaran ultralight yang paling menarik adalah roket SS-520 tiga tahap Jepun yang dihasilkan oleh IHI Aerospace, yang dibuat berdasarkan roket geofizik S-520 dengan menambahkan tahap ketiga dan penyempurnaan sistem onboard yang sesuai. Ketinggian roket SS-520 adalah 9.54 meter, diameternya 0.54 meter, berat pelancaran adalah 2600 kg. Jisim muatan yang dihantar ke LEO adalah sekitar 4 kg.
Tubuh tahap pertama terbuat dari keluli berkekuatan tinggi, tahap kedua terbuat dari komposit serat karbon, fairing kepala terbuat dari kaca gentian. Ketiga-tiga peringkat adalah bahan api pepejal. Sistem kawalan SS-520 LV dihidupkan secara berkala pada masa pemisahan tahap pertama dan kedua, dan selebihnya waktu roket distabilkan oleh putaran.
Pada 3 Februari 2018, SS-520-4 LV berjaya melancarkan cubicat TRICOM-1R dengan jisim 3 kilogram, yang dirancang untuk menunjukkan kemungkinan membuat kapal angkasa dari komponen elektronik pengguna. Pada masa pelancaran, SS-520-4 LV adalah kenderaan pelancaran terkecil di dunia, yang didaftarkan di Guinness Book of Records.
Penciptaan kenderaan pelancaran ultra kecil berdasarkan roket meteorologi dan geofizik padat-propelan boleh menjadi arah yang agak menjanjikan. Peluru berpandu seperti itu mudah dijaga, dapat disimpan untuk jangka masa panjang dalam keadaan yang memastikan persiapan mereka untuk dilancarkan dalam waktu sesingkat mungkin.
Kos mesin roket boleh menjadi sekitar 50% daripada kos roket dan tidak mungkin mencapai angka kurang dari 30%, bahkan dengan mempertimbangkan penggunaan teknologi tambahan. Dalam kenderaan pelancaran pepejal, pengoksida kriogenik tidak digunakan, yang memerlukan keadaan penyimpanan dan pengisian bahan bakar khas sebelum pelancaran. Pada masa yang sama, untuk pembuatan cas propelan pepejal, teknologi aditif juga sedang dikembangkan yang memungkinkan "mencetak" muatan bahan bakar dari konfigurasi yang diperlukan.
Dimensi kompak kenderaan pelancaran ultra ringan mempermudah pengangkutannya dan membolehkan pelancaran dari pelbagai titik planet untuk mendapatkan kecenderungan orbit yang diperlukan. Untuk kenderaan pelancaran ultralight, platform pelancaran yang lebih sederhana diperlukan daripada roket "besar", yang menjadikannya mudah alih.
Adakah terdapat projek peluru berpandu seperti itu di Rusia dan atas dasar apa ia dapat dilaksanakan?
Di USSR, sejumlah besar roket meteorologi dihasilkan - MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR -20 dan roket geofizik - 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. Sebilangan besar reka bentuk ini berdasarkan perkembangan ketenteraan dalam peluru berpandu balistik atau anti-peluru berpandu. Selama tahun-tahun aktif menerokai atmosfer atas, jumlah pelancaran mencapai 600-700 roket per tahun.
Selepas runtuhnya USSR, jumlah pelancaran dan jenis peluru berpandu dikurangkan secara radikal. Pada masa ini, Roshydromet menggunakan dua kompleks - MR-30 dengan roket MN-300 yang dikembangkan oleh NPO Typhoon / OKB Novator dan peluru berpandu meteorologi yang dikembangkan oleh KBP JSC.
MR-30 (MN-300)
Peluru berpandu kompleks MR-30 menyediakan pengangkatan 50-150 kg peralatan saintifik ke ketinggian 300 kilometer. Panjang roket MN-300 adalah 8012 mm dengan diameter 445 mm, berat pelancaran adalah 1558 kg. Kos satu pelancaran roket MN-300 dianggarkan 55-60 juta rubel.
Berdasarkan roket MN-300, kemungkinan membuat kenderaan pelancaran ultra-kecil IR-300 dengan menambahkan tahap kedua dan tahap atas (sebenarnya, tahap ketiga) sedang dipertimbangkan. Sebenarnya, dicadangkan untuk mengulangi pengalaman yang agak berjaya dalam melaksanakan kenderaan pelancaran ultralight SS-520 Jepun.
Pada masa yang sama, beberapa pakar menyatakan pendapat bahawa kerana kecepatan maksimum roket MN-300 adalah sekitar 2000 m / s, maka untuk mendapatkan kelajuan kosmik pertama sekitar 8000 m / s, yang diperlukan untuk meletakkan kenderaan peluncur ke orbit, ia mungkin memerlukan penyemakan semula projek asal yang terlalu serius., yang pada dasarnya adalah pengembangan produk baru, yang boleh menyebabkan kenaikan kos pelancaran hampir dengan pesanan besar dan menjadikannya tidak menguntungkan dibandingkan dengan pesaing.
PENGUKURAN
Roket meteorologi MERA dirancang untuk mengangkat muatan yang beratnya 2-3 kg hingga ketinggian 110 kilometer. Jisim roket MERA ialah 67 kg.
Pada pandangan pertama, roket meteorologi MERA sama sekali tidak sesuai digunakan sebagai asas untuk membuat kenderaan pelancaran ultra ringan, tetapi pada masa yang sama, ada beberapa nuansa yang memungkinkan untuk mencabar sudut pandang ini.
Peluru berpandu meteorologi MERA adalah bicaliber dua peringkat, dan hanya tahap pertama yang melakukan fungsi pecutan, yang kedua - setelah pemisahan, terbang oleh inersia, yang menjadikan kompleks ini serupa dengan peluru berpandu anti-pesawat (SAM) Tunguska dan Kompleks peluru berpandu dan meriam anti-pesawat Pantsir (ZRPK). Sebenarnya, berdasarkan peluru berpandu untuk sistem peluru berpandu pertahanan udara kompleks ini, roket meteorologi MERA diciptakan.
Tahap pertama adalah badan komposit dengan muatan propelan pepejal diletakkan di dalamnya. Dalam 2.5 saat, tahap pertama mempercepat roket meteorologi dengan kelajuan 5M (kelajuan suara), iaitu sekitar 1500 m / s. Diameter tahap pertama ialah 170 mm.
Tahap pertama roket meteorologi MERA, dibuat dengan menggulung bahan komposit, sangat ringan (berbanding struktur keluli dan aluminium dengan dimensi yang serupa) - beratnya hanya 55 kg. Harganya juga jauh lebih rendah daripada penyelesaian yang dibuat dari serat karbon.
Berdasarkan ini, dapat diasumsikan bahawa berdasarkan tahap pertama roket meteorologi MERA, modul roket bersatu (URM) dapat dikembangkan, yang dirancang untuk pembentukan kumpulan kenderaan pelancaran ultralight
Sebenarnya, akan ada dua modul seperti itu, mereka akan berbeza pada muncung enjin roket, yang dioptimumkan, masing-masing, untuk beroperasi di atmosfera atau dalam keadaan hampa. Pada masa ini, diameter maksimum selongsong yang dihasilkan oleh JSC KBP dengan kaedah penggulungan seharusnya 220 mm. Ada kemungkinan bahawa ada kemungkinan teknikal pembuatan perumahan komposit dengan diameter dan panjang yang lebih besar.
Sebaliknya, kemungkinan penyelesaian yang optimum adalah pembuatan lambung kapal, ukurannya akan disatukan dengan peluru untuk sistem peluru berpandu pertahanan udara Pantsir, peluru berpandu berpandu kompleks Hermes atau roket meteorologi MERA, yang akan mengurangkan kos satu produk dengan meningkatkan jumlah pelepasan bersiri bagi jenis produk yang sama.
Tahap kenderaan pelancaran harus direkrut dari URM, diikat secara selari, sementara pemisahan tahap akan dilakukan secara melintang - pemisahan membujur URM di panggung tidak disediakan. Dapat diasumsikan bahawa tahap kenderaan peluncur seperti itu akan mempunyai massa parasit yang besar dibandingkan dengan badan monoblock dengan diameter yang lebih besar. Ini sebahagiannya benar, tetapi berat sarung yang diperbuat daripada bahan komposit memungkinkan untuk mengurangkan kelemahan ini. Ternyata sarung berdiameter besar, dibuat menggunakan teknologi serupa, akan lebih sukar dan mahal untuk dihasilkan, dan dindingnya harus dibuat lebih tebal untuk memastikan ketegaran struktur yang diperlukan daripada yang berkaitan dengan URM oleh pakej, sehingga pada akhirnya terdapat banyak monoblock dan penyelesaian pakej akan setanding dengan kos yang lebih rendah. Dan kemungkinan besar kes monoblock keluli atau aluminium akan lebih berat daripada komposit bungkusan.
Sambungan selari URM dapat dilakukan dengan menggunakan elemen penggilingan komposit rata yang terletak di bahagian atas dan bawah tangga (pada titik penyempitan badan URM). Sekiranya perlu, lapisan tambahan yang diperbuat daripada bahan komposit boleh digunakan. Untuk mengurangkan kos dalam struktur, bahan industri teknologi dan murah, pelekat berkekuatan tinggi harus digunakan semaksimum mungkin.
Begitu juga, tahap LV dapat dihubungkan oleh elemen tiub komposit atau elemen penguat, dan strukturnya tidak dapat dipisahkan, ketika tahap dipisahkan, elemen-elemen yang menanggung beban dapat dihancurkan oleh caj pyro secara terkawal. Lebih-lebih lagi, untuk meningkatkan kebolehpercayaan, caj pyro dapat ditempatkan di beberapa titik struktur berurutan dan dimulakan baik dengan penyalaan elektrik dan pencucuhan langsung dari nyalaan enjin tahap yang lebih tinggi, ketika dihidupkan (untuk menembak tahap bawah jika pencucuhan elektrik tidak berfungsi).
Kenderaan pelancaran dapat dikendalikan dengan cara yang sama seperti yang dilakukan pada kenderaan pelancaran ultralight Jepun SS-520. Pilihan untuk memasang sistem kawalan arahan radio, serupa dengan yang dipasang pada sistem peluru berpandu pertahanan udara Pantsir, juga dapat dipertimbangkan untuk membetulkan peluncuran kenderaan pelancaran sekurang-kurangnya pada bahagian lintasan penerbangan (dan mungkin pada semua tahap penerbangan). Berpotensi, ini akan mengurangkan jumlah peralatan mahal di atas roket sekali guna dengan membawanya ke kenderaan kawalan "yang boleh digunakan semula".
Dapat diasumsikan bahawa, dengan mempertimbangkan struktur pendukung, elemen penghubung dan sistem kawalan, produk akhir akan dapat memberikan muatan berat dari beberapa kilogram hingga beberapa puluh kilogram ke LEO (bergantung pada jumlah modul roket bersatu secara berperingkat) dan bersaing dengan SS-LV ultralight Jepun 520 dan kenderaan pelancaran ultralight serupa yang dikembangkan oleh syarikat Rusia dan asing.
Untuk kejayaan pengkomersialan projek, anggaran kos melancarkan kenderaan pelancaran MERA-K ultralight tidak boleh melebihi $ 3.5 juta (ini adalah kos pelancaran untuk kenderaan pelancaran SS-520).
Selain aplikasi komersial, kenderaan pelancaran MERA-K dapat digunakan untuk penarikan darurat kapal angkasa tentera, ukuran dan beratnya juga akan menurun secara beransur-ansur.
Juga, perkembangan yang diperoleh semasa pelaksanaan kenderaan pelancaran MERA-K dapat digunakan untuk membuat senjata canggih, misalnya, kompleks hipersonik dengan hulu ledak konvensional dalam bentuk peluncur kompak, yang dijatuhkan setelah pelancaran pelancaran kenderaan ke bahagian atas lintasan.
