Dış uzayın fethi, insanlığın en önemli ve çığır açan başarılarından biri haline geldi. Fırlatma araçlarının ve fırlatma altyapısının oluşturulması, dünyanın önde gelen ülkelerinin muazzam çabalarını gerektirdi. Zamanımızda, uzaya düzinelerce uçuş gerçekleştirebilen, tamamen yeniden kullanılabilir fırlatma araçları yaratma eğilimi vardı. Bunların geliştirilmesi ve işleyişi, yalnızca devletler veya büyük şirketler tarafından (yine devlet desteğiyle) tahsis edilebilecek büyük kaynaklar gerektirmektedir.
7 Ekim 4'de ilk kez yapay bir uyduyu Dünya yörüngesine yerleştiren Sovyet roketi R-1957 ve şu anda potansiyel olarak insanlığın ulaşabileceği en gelişmiş, tamamen yeniden kullanılabilir fırlatma aracı olma potansiyeline sahip Amerikan süper ağır roketi BFR konsepti.
XXI yüzyılın başında, elektronik bileşenlerin iyileştirilmesi ve minyatürleştirilmesi, kütlesi 1-100 kg aralığında olan küçük boyutlu uyduların (sözde "mikro uydular" ve "nanosatellitler") yaratılmasını mümkün kılmıştır. Son zamanlarda, "pikosatellitler" (100 g ila 1 kg ağırlığında) ve "femto uydular" (100 g'dan az) hakkında konuşuyoruz. Bu tür uydular, farklı müşterilerden grupaj kargo olarak veya "büyük" uzay aracına (SC) geçiş yükü olarak fırlatılabilir. Bu fırlatma yöntemi her zaman uygun değildir, çünkü nanosatellit üreticileri (bundan sonra bu tanımlamayı ultra küçük uzay aracının tüm boyutları için kullanacağız) ana kargonun fırlatılması için ve ayrıca fırlatma yörüngelerindeki farklılıklar nedeniyle müşterilerin programına uyum sağlamak zorunda.
Bu, yaklaşık 1-100 kg ağırlığındaki uzay aracını fırlatabilen ultra küçük fırlatma araçlarına olan talebin ortaya çıkmasına neden oldu.
DARPA ve KB "MiG"
Kara, hava ve denizden fırlatma ile çok hafif fırlatma araçları için birçok proje vardı ve geliştiriliyor. Özellikle, Amerikan ajansı DARPA, ultra küçük uzay aracının hızlı fırlatılması sorunu üzerinde aktif olarak çalışıyor. Özellikle, 2012 yılında başlatılan ve bir F-15E avcı uçağından fırlatılmak ve 45 kg ağırlığa kadar olan uyduları düşük referans yörüngesine (LEO) yerleştirmek üzere tasarlanmış küçük boyutlu bir roket oluşturmanın planlandığı ALASA projesi hatırlanabilir.
ALASA projesi
Rokete takılan roket motoru, monopropilen, azot oksit ve asetilen dahil olmak üzere NA-7 monopropellantında çalışmak zorundaydı. Fırlatma maliyeti 1 milyon doları aşmayacaktı. Muhtemelen, bu projeyi sonlandıran, özellikle kendiliğinden yanması ve patlama eğilimiyle ilgili yakıt sorunlarıydı.
Rusya'da da benzer bir proje yürütülüyordu. 1997'de MiG tasarım bürosu, KazKosmos (Kazakistan) ile birlikte, dönüştürülmüş bir MiG-31I önleyiciyi (Ishim) kullanarak bir yük (PN) fırlatma sistemi geliştirmeye başladı. Proje, MiG-31D'nin uydu karşıtı modifikasyonunun oluşturulması için temel alınarak geliştirildi.
Yaklaşık 17 metre yükseklikte ve 000 km / s hızla fırlatılan üç aşamalı roketin, 3000 kilometre yükseklikte yörüngeye 300 kg ağırlığında bir yük ve 160 kilometre yükseklikte bir yörüngeye 600 kg ağırlığında bir yük sağlaması gerekiyordu.
Rusya'da 90'ların sonu ve 2000'lerin başında yaşanan zorlu mali durum, bu projenin metalde gerçekleştirilmesine izin vermedi, ancak geliştirme sürecinde teknik engellerin ortaya çıkması olası.
Çok hafif fırlatma araçları için başka birçok proje vardı. Bunların ayırt edici özellikleri, devlet yapıları veya büyük (pratik olarak "devlet") şirketler tarafından projelerin geliştirilmesi olarak düşünülebilir. Savaş uçakları, bombardıman uçakları veya ağır nakliye uçakları gibi karmaşık ve pahalı platformlar genellikle fırlatma platformları olarak kullanılmak zorundaydı.
Bütün bunlar birlikte komplekslerin gelişimini karmaşıklaştırdı ve maliyetini artırdı ve şimdi ultra hafif fırlatma araçlarının yaratılmasındaki liderlik özel şirketlerin eline geçti.
Roket Laboratuvarı
Ultralight roketlerinin en başarılı ve tanınmış projelerinden biri, Amerikan-Yeni Zelanda şirketi Rocket Lab tarafından "Electron" fırlatma aracı olarak kabul edilebilir. 12550 kg ağırlığındaki bu iki aşamalı roket, 250 kg PS veya 150 kg PS'yi LEO'ya 500 kilometre yükseklikte güneşle senkronize bir yörüngeye (SSO) fırlatabilir. Şirket, yılda 130'a kadar füze fırlatmayı planlıyor.
Roketin tasarımı karbon fiberden yapılmıştır; sıvı yakıtlı jet motorları (LRE), bir çift gazyağı + oksijen üzerinde kullanılmaktadır. Tasarımın maliyetini basitleştirmek ve düşürmek için, güç kaynağı olarak lityum polimer piller, pnömatik kontrol sistemleri ve sıkıştırılmış helyum üzerinde çalışan tanklardan yakıtı çıkarmak için bir sistem kullanır. Roket motorlarının ve diğer roket bileşenlerinin imalatında aktif olarak eklemeli teknolojiler kullanılmaktadır.
Electron fırlatma aracının boyutları Soyuz-2.1a, Ariane-5, Falcon 9 ve Falcon HAVI füzelerinin boyutlarıyla karşılaştırıldı
Rocket Lab'den gelen ilk roketin, 1 kg yükü yaklaşık 1 kilometre yüksekliğe kaldırabilen Kosmos-2 meteorolojik roketi (Maori'de Atea-120) olduğu belirtilebilir.
Lin Endüstriyel
Rocket Lab'ın Rus "analogu", hem 100 km yüksekliğe ulaşabilen en basit yörünge altı roketi için projeler geliştiren hem de LEO ve SSO'ya yükleri göndermek için tasarlanmış araçları fırlatan "Lin Industrial" şirketi olarak adlandırılabilir.
Yörünge altı roket pazarında (öncelikle meteorolojik ve jeofizik roketler gibi) katı yakıt motorlu çözümler hakim olsa da, Lin Industrial yörünge altı roketini gazyağı ve hidrojen peroksit ile çalışan sıvı yakıtlı bir roket motoruna dayanarak inşa ediyor. Büyük olasılıkla, bunun nedeni Lin Industrial'in fırlatma aracının ticari olarak yörüngeye fırlatılmasında ana gelişme yönünü görmesi ve sıvı yakıtlı yörünge altı roketinin teknik çözümler geliştirmek için daha çok kullanılmasıdır.
Lin Industrial'ın ana projesi Taimyr ultra hafif fırlatma aracıdır. Başlangıçta, proje, 10 ila 180 kg ağırlığındaki bir yükün LEO'ya gönderilmesi olasılığı ile bir fırlatma aracının oluşturulmasına izin veren bir dizi paralel modül düzenlemesine sahip modüler bir düzen sağladı. Fırlatılan fırlatma aracının minimum kütlesindeki değişiklik, evrensel füze birimleri (UBR) - URB-1, URB-2 ve URB-3 ve üçüncü aşama RB-2 roket birimi sayısı değiştirilerek sağlanacaktı.
- "Taimyr-1A" - üç aşamalı fırlatma aracı. İlk aşama, dokuz sıvı itici motorlu URB-1, ikinci aşama ~ 2 kgf itme gücüne sahip bir sıvı itici motorlu URB-400 ve üçüncü aşama URB-3'tür. Fırlatma kütlesi 2,6 t, uzunluk 16 m, düşük dünya yörüngesindeki yük kütlesi 12 kg'dır.
- "Taimyr-1" üç aşamalı bir fırlatma aracıdır. İlk aşama ~ 1 tf itme gücüne sahip bir LPRE ile URB-4, ikinci aşama ~ 2 kgf itme gücüne sahip bir LPRE ile URB-400 ve üçüncü aşama URB-3'tür. Fırlatma kütlesi 2,6 ton, uzunluk 16 m, alçak dünya yörüngesindeki yük kütlesi 14 kg'dır.
- "Taimyr-5", üç aşamalı bir fırlatma aracıdır. İlk aşama - ~ 4 tf itme gücüne sahip bir LPRE'li 1 URB-4, ikinci aşama - ~ 1 tf itme gücüne sahip LPRE'li bir URB-4, üçüncü aşama - ~ 2 kgf itme gücüne sahip LPRE'li URB-100. Fırlatma kütlesi 11,2 ton, uzunluk 16 m, düşük dünya yörüngesindeki yük kütlesi 108 kg'dır.
- "Taimyr-7" üç aşamalı bir fırlatma aracıdır. İlk aşama - ~ 6 tf itme gücüne sahip bir LPRE'li 1 URB-4, ikinci aşama - ~ 1 tf itme gücüne sahip bir LPRE'li bir URB-4, üçüncü aşama - ~ 2 kgf'lik bir itme gücüne sahip bir LPRE ile URB-100. Fırlatma kütlesi 15,6 ton, uzunluk 16 m, düşük dünya yörüngesindeki yük kütlesi, güneşle senkronize yörüngede 180 kg'a kadar - 85 kg.
Taimyr fırlatma aracının motorları, gazyağı ve konsantre hidrojen peroksit ile çalışmalıdır; yakıt, sıkıştırılmış helyum ile yer değiştirme yoluyla sağlanmalıdır. Tasarımın, CFRP'ler ve 3D baskılı bileşenler dahil olmak üzere yaygın olarak kompozit malzemeler kullanması bekleniyor.
Daha sonra, Lin Industrial şirketi modüler şemayı terk etti - fırlatma aracı, Taimyr fırlatma aracının görünüşünün Rocket Lab tarafından Electron fırlatma aracının görünümüne benzemeye başladığı sıralı bir adım düzenlemesiyle iki aşamalı hale geldi. Ayrıca, sıkıştırılmış helyum üzerindeki deplasman sistemi, pillerle çalışan elektrikli pompaların kullanıldığı bir yakıt kaynağı ile değiştirildi.
Taimyr LV'nin ilk lansmanı 2023 için planlanıyor.
IHI Havacılık
En ilginç ultra hafif fırlatma araçlarından biri, S-520 jeofizik roketini temel alarak yerleşik sistemlere üçüncü bir aşama ekleyerek oluşturulan, IHI Aerospace tarafından üretilen Japon SS-520 üç aşamalı katı yakıtlı rokettir. SS-520 roketinin yüksekliği 9,54 metre, çapı 0,54 metre, fırlatma ağırlığı 2600 kg'dır. LEO'ya teslim edilen yük kütlesi yaklaşık 4 kg'dır.
RN SS-520-4'ü başlatın
İlk etabın gövdesi yüksek mukavemetli çelikten, ikinci aşama karbon fiber kompozitten, kafa kaplaması ise cam elyafından yapılmıştır. Her üç aşama da katı yakıttır. SS-520 LV kontrol sistemi, birinci ve ikinci aşamaların ayrılma anında periyodik olarak açılır ve geri kalan zaman roket rotasyonla stabilize edilir.
3 Şubat 2018'de SS-520-4 LV, tüketici elektroniği bileşenlerinden uzay aracı yaratma olasılığını göstermek için tasarlanmış, 1 kilogramlık bir kütleye sahip bir TRICOM-3R cubesat'ı başarıyla başlattı. Lansman sırasında, SS-520-4 fırlatma aracı, Guinness Rekorlar Kitabı'na kayıtlı dünyanın en küçük fırlatma aracıydı.
Katı yakıtlı meteorolojik ve jeofizik roketlere dayanan ultra küçük fırlatma araçlarının oluşturulması oldukça umut verici bir yön olabilir. Bu tür füzelerin bakımı kolaydır, mümkün olan en kısa sürede fırlatmaya hazırlanmalarını sağlayacak bir durumda uzun süre saklanabilir.
Bir roket motorunun maliyeti, bir roket maliyetinin yaklaşık% 50'si kadar olabilir ve katkı teknolojilerinin kullanımı hesaba katıldığında bile% 30'dan daha az bir rakama ulaşılması olası değildir. Katı yakıtlı fırlatma araçları, fırlatmadan hemen önce özel depolama ve yakıt ikmali koşulları gerektiren kriyojenik oksitleyici kullanmaz. Aynı zamanda, katı yakıt yüklerinin üretimi için, gerekli konfigürasyonda yakıt ücretlerinin "yazdırılmasını" mümkün kılan katkı teknolojileri de geliştirilmektedir.
Ultra hafif fırlatma araçlarının kompakt boyutları, taşımalarını basitleştirir ve gerekli yörünge eğimini elde etmek için gezegenin çeşitli noktalarından fırlatmaya izin verir. Ultra hafif fırlatma araçları için, onu mobil yapan "büyük" roketlerden çok daha basit bir fırlatma platformu gereklidir.
Rusya'da bu tür füzeler için projeler var mı ve bunlar hangi temelde uygulanabilir?
SSCB'de önemli sayıda meteorolojik roket üretildi - MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR-20 ve jeofizik roketler - R-1A, R-1B, R-1V, R-1E, R-1D, R-2A, R-11A, R-5A, R-5B, R-5V, "Dikey", K65UP, MR-12 , MR-20, MN-300, 1Ya2TA. Birçoğu balistik füzeler veya füzelerdeki askeri gelişmelere dayanıyordu. Üst atmosferin aktif olarak keşfedildiği yıllarda, fırlatma sayısı yılda 600-700 füzeye ulaştı.
SSCB'nin jeofizik roketleri
SSCB'nin çöküşünden sonra, fırlatma sayısı ve füze türleri büyük ölçüde azaldı. Şu anda Roshydromet iki kompleks kullanıyor: NPO Typhoon / OKB Novator tarafından geliştirilen MN-30 roketli MR-300 ve KBP JSC tarafından geliştirilen meteorolojik füze MERA.
MR-30 (MN-300)
MR-30 kompleksinin füzesi, 50-150 kg bilimsel ekipmanın 300 kilometre yüksekliğe kaldırılmasını sağlıyor. MN-300 roketinin uzunluğu 8012 mm, 445 mm çapında, fırlatma ağırlığı 1558 kg'dır. MN-300 roketinin bir fırlatma maliyetinin 55-60 milyon ruble olduğu tahmin ediliyor.
MN-300 roketinin temelinde, ikinci bir aşama ve bir üst aşama (aslında üçüncü aşama) ekleyerek ultra küçük bir fırlatma aracı IR-300 oluşturma olasılığı düşünülmektedir. Yani, aslında, Japon ultra hafif SS-520 fırlatma aracının uygulanmasında oldukça başarılı deneyimin tekrarlanması önerilmektedir.
Aynı zamanda, bazı uzmanlar, MN-300 roketinin maksimum hızının yaklaşık 2000 m / s olduğu için, fırlatma aracını yörüngeye yerleştirmek için gerekli olan yaklaşık 8000 m / s'lik ilk kozmik hızı elde etmek için orijinal projenin çok ciddi revizyonunu gerektirebileceği görüşündedir. Bu, esasen yeni bir ürünün geliştirilmesidir ve bu, fırlatma maliyetinde neredeyse bir sıra artışa neden olabilir ve rakiplere kıyasla onu kârsız hale getirebilir.
ÖLÇÜM
Meteorolojik roket MERA, 2-3 kg ağırlığındaki bir yükü 110 kilometre yüksekliğe kaldırmak için tasarlanmıştır. MERA roketinin kütlesi 67 kg'dır.
MERA meteorolojik roket fırlatıcısı ve fırlatılması
MERA meteorolojik roket yükü
İlk bakışta, MERA meteorolojik roketi, ultra hafif fırlatma aracı oluşturmak için temel olarak kullanılmaya kesinlikle uygun değildir, ancak aynı zamanda, bu bakış açısına meydan okumayı mümkün kılan bazı nüanslar vardır.
Meteorolojik füze MERA, iki aşamalı bir bicaliber iki aşamalıdır ve hızlanma işlevi yalnızca ilk aşamada gerçekleştirilir, ikincisi - ayrıldıktan sonra ataletle uçar, bu kompleksi Tunguska ve Pantsir uçaksavar füzesi ve top komplekslerinin (ZRPK) uçaksavar güdümlü füzelerine (SAM) benzer hale getirir. Aslında, belirtilen komplekslerin hava savunma füze sistemleri için SAM temelinde, meteorolojik roket MERA oluşturuldu.
İlk aşama, içine yerleştirilmiş katı bir itici yükü olan kompozit bir gövdedir. 2,5 saniyede, ilk aşama meteorolojik roketi yaklaşık 5 m / s olan 1500M (ses hızı) hıza çıkarır. İlk etabın çapı 170 mm'dir.
Meteorolojik roket MERA
Kompozit bir malzemenin sarılmasıyla yapılan meteorolojik roket MERA'nın ilk aşaması son derece hafiftir (benzer boyuttaki çelik ve alüminyum yapılara kıyasla) - ağırlığı sadece 55 kg'dır. Ayrıca, maliyeti karbon fiberden yapılan çözümlerden önemli ölçüde daha düşük olmalıdır.
Buna dayanarak, meteorolojik roket MERA'nın ilk aşamasına dayanarak, ultra hafif fırlatma araçlarının aşamalarının toplu oluşumu için tasarlanmış birleşik bir roket modülünün (URM) geliştirilebileceği varsayılabilir.
Aslında, bu tür iki modül olacak, sırasıyla atmosferde veya vakumda çalışmak için optimize edilmiş bir roket motorunun nozulunda farklılık gösterecekler. Şu anda JSC KBP tarafından sarım yöntemi ile üretilen kasaların maksimum çapının 220 mm olduğu varsayılmaktadır. Daha büyük çap ve uzunlukta kompozit mahfaza imal etmenin teknik olarak uygun olması mümkündür.
Öte yandan, en uygun çözümün, boyutları Pantsir hava savunma füze sistemi için herhangi bir mühimmat ile birleştirilecek gövde imalatı, Hermes kompleksinin güdümlü füzeleri veya seri hacmini artırarak tek bir ürünün maliyetini düşürecek MERA meteorolojik roketleri olması mümkündür. aynı tip ürünün piyasaya sürülmesi.
Fırlatma aracının aşamaları URM'den alınmalı, paralel olarak bağlanmalıdır, aşamaların ayrılması enine gerçekleştirilecektir - aşamada URM'nin uzunlamasına ayrılması sağlanmamıştır. Böyle bir fırlatma aracının aşamalarının, daha büyük çaplı bir monoblok gövdeye kıyasla daha büyük bir parazitik kütleye sahip olacağı varsayılabilir. Bu kısmen doğrudur, ancak kompozit malzemelerden yapılan kasanın düşük ağırlığı, bu dezavantajı büyük ölçüde gidermeyi mümkün kılar. Benzer bir teknoloji kullanılarak yapılan büyük çaplı bir kasanın üretilmesi çok daha zor ve pahalı olacağı ve gerekli yapısal sertliği sağlamak için duvarlarının, bir paketle bağlanan URM'lerden çok daha kalın yapılması gerekeceği ortaya çıkabilir, böylece sonunda çok sayıda monoblok ve paket çözümü olur. ikincisinden daha düşük bir maliyetle karşılaştırılabilir olacaktır. Ve büyük olasılıkla çelik veya alüminyum monoblok bir kasanın, paketlenmiş bir kompozit kasadan daha ağır olması muhtemeldir.
MERA meteorolojik roketinin ilk aşamasına dayanan KRM'ye dayanan ultra hafif MERA-K fırlatma aracı konsepti (görüntü, Lin Industrial şirketinin Taimyr modüler fırlatma aracına dayanılarak yapıldı)
URM'nin paralel bağlantısı, basamağın üst ve alt kısımlarında (URM gövdesinin daralma noktalarında) bulunan düz kompozit öğütülmüş elemanlar kullanılarak gerçekleştirilebilir. Gerekirse kompozit malzemelerden yapılmış ek şaplar kullanılabilir. Yapıdaki maliyeti düşürmek için teknolojik ve ucuz endüstriyel malzemeler, mümkün olduğunca yüksek mukavemetli yapıştırıcılar kullanılmalıdır.
Benzer şekilde, LV aşamaları, kompozit boru biçimli veya takviye edici elemanlarla birbirine bağlanabilir ve yapı ayrılamaz olabilir; aşamalar ayrıldığında, yük taşıyıcı elemanlar kontrollü bir şekilde pyro yükleri ile tahrip edilebilir. Dahası, güvenilirliği arttırmak için, pyro yükleri, destek yapısının sıralı olarak yerleştirilmiş birkaç noktasına yerleştirilebilir ve açıldığında, daha yüksek aşamadaki motorların alevinden hem elektrikli ateşleme hem de doğrudan ateşleme ile başlatılabilir (elektrikli ateşleme çalışmadıysa alt aşamayı ateşlemek için).
Yapı kompozit cam elyaf takviyesi, yüksek mukavemete, düşük ağırlığa ve yüksek korozyon direncine sahiptir. Bir ultra hafif fırlatma aracının yük taşıyıcı elemanlarının imalatında da kullanılması mümkündür.
Fırlatma aracı, Japon ultra hafif fırlatma aracı SS-520'de olduğu gibi kontrol edilebilir. Pantsir hava savunma füzesi sistemine kurulana benzer bir radyo komuta kontrol sistemi kurma seçeneği, fırlatma aracının en azından uçuş yolunun bir kısmında (ve muhtemelen uçuşun tüm aşamalarında) fırlatılmasını düzeltmek için düşünülebilir. Potansiyel olarak, bu, tek kullanımlık bir roketteki pahalı ekipman miktarını, onu "yeniden kullanılabilir" bir kontrol aracına taşıyarak azaltacaktır.
Destekleyici yapı, bağlantı elemanları ve kontrol sistemi dikkate alındığında, nihai ürünün LEO'ya (aşamalardaki birleşik roket modüllerinin sayısına bağlı olarak) birkaç kilogramdan birkaç on kilograma kadar bir yük taşıyabileceği ve Japon ultra hafif SS-LV ile rekabet edebileceği varsayılabilir. Rus ve yabancı şirketler tarafından geliştirilen 520 ve benzeri ultra hafif fırlatma araçları.
Projenin başarılı bir şekilde ticarileştirilmesi için, ultra hafif MERA-K fırlatma aracını fırlatmanın tahmini maliyeti 3,5 milyon doları geçmemelidir (SS-520 fırlatma aracının böyle bir başlatma maliyeti vardır).
Ticari uygulamalara ek olarak, MERA-K fırlatma aracı, boyutu ve ağırlığı da giderek azalacak olan askeri uzay aracının acil olarak geri çekilmesi için kullanılabilir.
Ayrıca, MERA-K LV projesinin uygulanması sırasında elde edilen gelişmeler, gelişmiş silahlar oluşturmak için kullanılabilir, örneğin, LV'nin yörüngenin üst noktasına fırlatılmasından sonra düşen, kompakt bir planör şeklinde geleneksel bir savaş başlığına sahip hipersonik bir kompleks.