Исследователи космоса

Что представляют собой лёгкие ракеты?

Лёгкие РН – это класс ракет, которые могут вывести на низкую околоземную орбиту (НОО) до 2 тонн полезной нагрузки. Все ракеты, выводящие от 2 до 20 тонн на НОО — ракеты среднего класса (Союз, Atlas V и возвращаемый Falcon 9). Все, что выводит от 20 до 50 тонн — тяжёлой класс, к таким относится: одноразовый Falcon 9 или Delta IV Heavy. Любая ракета, способная запустить более 50 тонн на НОО, относится к сверхтяжелому классу — Saturn V или разрабатываемый Starship.

В связи с большим увеличением количества малых спутников, экспоненциально возрастает спрос и на лёгкие ракеты. Использование более мощной ракеты было бы излишним, даже если теоретическая цена за килограмм будет дешевле для более крупной ракеты. Лёгкая ракета с выводимой массой полезной нагрузки в 200 кг за $5 млн — дешевле, чем тяжёлый Falcon 9 за $50 млн

Совместные запуски, так называемые rideshare-миссии, становятся всё более привычными, благодаря компаниям SpaceX и SpaceFlight. Однако, в таких полётах почти все спутники выводятся на одну и ту же орбиту, что может не всегда устраивать потенциального заказчика.

Разрабатываемые ракеты

Есть несколько лёгких ракет, разработка которых находится на ранней стадии. Тем не менее, они тоже заслуживают упоминания из-за их уникальных аспектов

Prime

Это ракета компании Prime Orbex. Prime использует уникальную коаксиальную конструкцию бака — это означает, что топливный бак с жидким пропаном хранится внутри бака с жидким кислородом. Это уменьшает количество переборок и изолирует компоненты топлива. Компания надеется сделать первую ступень Prime возвращаемой, но о проекте пока известно очень мало.

Это ракета компании Prime Orbex. Prime использует уникальную коаксиальную конструкцию бака — это означает, что топливный бак с жидким пропаном хранится внутри бака с жидким кислородом. Это уменьшает количество переборок и изолирует компоненты топлива. Компания надеется сделать первую ступень Prime возвращаемой, но о проекте пока известно очень мало.

Skyrora XL

Skyrora XL также будет использовать коаксиальные баки. Однако, в отличие от Prime, двигатели с замкнутым циклом работы будут на пероксиде водорода, керосине и кислороде. Перекись будет использоваться для вращения насоса, как в РД-107/108 на Союзе, но, в отличие от него, продукты сгорания, прошедшие через насосы, будут направлены обратно в камеру сгорания.

Rocket-1

Эта ракета будет использовать двигатель замкнутого цикла с окислительным газогенератором, работающим на топливной паре керосин-кислород. Это будет первый американский двигатель такого типа. Единственным подобным двигателем с закрытым циклом с восстановительным газогенератором является BE-4 от Blue Origin. Двигатель может достигать 365 секунд удельного импульса в вакууме, что приближается к теоретическому пределу этого параметра для керосина.

Ракеты, планируемые к запуску

Alpha

На данный момент эта ракета от компании Firefly Aerospace — самая большая ракета из углеволокна с четырьмя двигателями Reaver на первой ступени и одним двигателем Lightning на второй.

Оба двигателя работают на керосине и кислороде и используют уникальный цикл отвода. Это означает, что давление из камеры сгорания используется для вращения турбин. Отводной цикл выгоден, поскольку он позволяет сжигать всё топливо и окислитель в камере сгорания, однако подобная схема усложняет зажигание двигателя.

RS-1

Компания ABL Space Systems ставит перед собой цель создать самую простую и экономичную ракету из когда-либо созданных в мире. Как и другие в этом списке, RS-1 оснащён девятью керосино-кислородными двигателями E2, напечатанными на 3D-принтере, на первой ступени и одним оптимизированным для вакуума на второй. Двигатель E2 – это двигатель открытого цикла, целью которого является создание крайне простой ракеты. Подобно ракетам Astra и LauncherOne, RS-1 может запускаться откуда угодно. Ракета и вся пусковая инфраструктура помещаются в стандартный транспортный контейнер.

Terran 1

Как и в случае с другими упомянутыми ранее ракетами, Relativity Space собирается напечатать двигатели для Terran 1 на 3D-принтере, но в отличие от других ракет, сам Terran 1 также будет полностью напечатан на 3D-принтере. Таким образом, Relativity Space может уменьшить количество деталей, необходимых для ракеты, на два порядка (в 100 раз), упростив производство и сократив время изготовления ракеты. Кроме того, 3D-печать позволяет им легко изменять конструкцию, поскольку нет необходимости менять специализированную оснастку.

Первая ступень Terran-1 оснащена девятью двигателями Eon 1. Вторая ступень оснащена одним оптимизированным для вакуума двигателем Eon 1. Это двигатели открытого цикла, работающие на метане. Подобно двигателю Raptor или RS-25, Eon 1 будет использоваться для создания автогенного наддува в баках, что избавляет от необходимости хранить гелий в ракете. Так как гелий в итоге используется только для запуска двигателей, он будет обеспечиваться наземной стартовой инфраструктурой.

Действующие ракеты

Electron

Electron впервые была запущена компанией Rocket Lab в 2017 году в рамках миссии It’s a Test, которая преждевременно закончилась из-за ошибочного сбоя в системе наземной связи. Однако менее чем через год, 21 января 2018 года, Electron впервые успешно вышла на орбиту.

У Electron много нововведений и уникальных особенностей. Прежде всего, весь корпус Electron сделан из углеволокна без внутреннего покрытия. Это делает баки лёгкими и прочными. Другой уникальной частью Electron является её двигатель — Rutherford. Это керосино-кислородный двигатель, но с одной интересной особенностью: он использует электропривод, а не газогенератор для вращения турбин, что значительно снижает сложность двигателя. Более того, поскольку двигатель довольно мал, его можно полностью напечатать на 3D-принтере. Это снижает затраты и сокращает время изготовления.

В настоящее время ракета запускается с пускового комплекса LC-1A на полуострове Махия в Новой Зеландии. Однако у Rocket Lab есть ещё две стартовые площадки. В паре сотен метров от первой Rocket Lab строят вторую стартовую площадку, LC-1B. Подобно тому, как SpaceX используют SLC-40 и LC-39A на мысе, Rocket Lab будут использовать обе площадки для увеличения частоты запусков. Наконец, Rocket Lab также построили площадку на космодроме Уоллопс в США.

Несмотря на то, что главная стартовая площадка Rocket Lab и большая часть их производства находится в Новой Зеландии, это американская компания. Штаб-квартира Rocket Lab находится в США, что позволяет им запускать полезные нагрузки для NASA и военных. Ещё одна очень интересная часть будущего Electron – это возврат и повторное использование первой ступени. Rocket Lab планируют использовать парашют, чтобы замедлить ступень, прежде чем пытаться поймать её с помощью вертолёта. Rocket Lab уже успешно вернули два ускорителя Electron, и они даже использовали некоторые из компонентов этих ступеней для следующих полётов в составе других ракет. Например, в миссии Running Out of Toes повторно использовалась систему наддува бака, которая использовалась в миссии Return to Sender.

Наконец, у Electron есть спутниковая платформа Photon. У неё есть два варианта: межпланетная версия, которая может лететь к Венере, Марсу или Луне, а также орбитальная для использования на орбите Земли. У платформы есть свой двигатель, названный Curie. Двигатель выпускается в трёх вариантах: монотопливная версия на холодном газу, обычная двухтопливная версия и версия для глубокого космоса — Hyper Curie, работающая на «зелёном топливе». Сегодня двигатели почти всегда используются в стандартной двухтопливной конфигурации, а Hyper Curie присутствует только в версии Photon для дальнего космоса.

LauncherOne

LauncherOne от Virgin Orbit запускается c Boeing 747, она использует самолёт не только как мобильную стартовую площадку, но и как своеобразную первую ступень. Воздушный старт имеет ряд преимуществ, таких как возможность запуска на любое наклонение и в практически любую погоду. Однако, он также имеет много недостатков, поскольку ограничивает размер ракеты и увеличивает сложность конструкции.

Ракета запускается с модернизированного Boeing 747-400, получившего название Cosmic Girl. Он был выбран по ряду причин: в отличие от единственного в своём роде самолёта Stratolaunch, есть тысячи пилотов, механиков и инженеров, которые обучены работать с этим самолётом и управлять им. Кроме того, 747-й был разработан для ещё одного двигателя под левым крылом для перевозки запасных реактивных двигателей. Это дало Virgin Orbit отличное место для установки ракеты, поскольку с некоторыми изменениями в конструкции самолёт может спокойно выдерживать массу заправленной ракеты.

LauncherOne – это двухступенчатая лёгкая ракета. Первая ступень оснащена одним двигателем Newton 3, который представляет собой двигать открытого цикла. Вторая ступень также оснащена одним двигателем, оптимизированным для вакуума, под названием Newton 4.

LauncherOne впервые была запущена в 2020 году, но вскоре после запуска двигателя произошёл сбой. В январе 2021 года LauncherOne стартовала во второй раз и успешно вышла на целевую орбиту. В июне она закрепила свой результат, успешно отправив на орбиту миссию Tubular Bells: Part One.

Astra

Astra – двухступенчатая лёгкая ракета, которая может поместиться в стандартный транспортный контейнер, как и вся необходимая инфраструктура и оборудование для наземного обслуживания. Затем эти контейнеры можно загрузить в C-130 Hercules или любой другой транспортный самолёт и доставить в любую точку мира.

Ракета Astra использует керосин и кислород. Первая ступень оснащена пятью двигателями Delphin, которые, как и Rutherford, работают от электронасоса и напечатаны на 3D-принтере. Вторая ступень оснащена двигателем с вытеснительной подачей топлива.

На сегодняшний день Astra совершила три полёта, каждый из которых закончился неудачей. Первое испытание Rocket 3.0, провалилось во время предполётных тестов, когда произошёл пожар, уничтоживший ракету. Во время второго полёта офицер по технике безопасности выключил двигатели после того, как ракета начала отклоняться от заданного курса. Наконец, в декабре 2020 года Rocket 3.2 пересекла линию Кармана, но не успела выйти на орбиту из-за проблем с топливной смесью на второй ступени. Однако, уже в конце августа компания планирует осуществить следующий запуск — уже с полезной нагрузкой.

Итоги

В целом очевидно, что из грядущих лёгких ракет RS-1 и Terran-1, вероятнее всего, будут способны доставить около тонны на ССО. Однако, это определённо имеет свою цену, поскольку эти две ракеты значительно дороже, чем Astra или Electron.

Electron же имеет значительное преимущество перед другими лёгкими ракетами, поскольку она совершила около 20 полётов, запустив на орбиту более 100 космических аппаратов. Аналогично и LauncherOne, которая также является испытанной ракетой и может запускать полезную нагрузку на любое наклонение. Ракета Alpha уже находится на стартовой площадке и ждёт своего первого запуска.

Поистине удивительно, что SpaceX смогли достичь орбиты более чем 10 лет назад с помощью Falcon 1. При меньшем финансировании SpaceX смогли создать более производительную и более дешёвую ракету, чем некоторые из сегодняшних компаний, которые ещё ни разу не достигли орбиты.

Оригинал: Everyday Astronaut

Перевод: Игорь Яблоков

Для сравнения новый стартовый стол с башней обслуживания на Восточном: