СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ СЕМЕЙСТВА МОДУЛЬНЫХ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ

[stailker]

А. В. Дегтярев, А. Э. Кашанов, Н. Г. Литвин, В. А. Шульга
Гос ударственное предприятие «Конструкторское бюро «Южное» им. М.К. Янгеля»

На сегодняшний день в ГП «КБ Южное» имеются большой технический задел не только по РН, но и по системам наземного комплекса, исходя из опыта разработки комплексов «Циклон» и «Зенит» с их модификациями, разработанными в течение последних сорока лет. Концептуальный подход к использованию этого задела изложен в целом ряде проектных проработок предприятия.

Универсальный ракетный блок, благодаря заложенным в него конструкторским решениям, может использоваться как в составе одноблочной РН, так и в составе полиблочной РН с различным количеством ракетных блоков. Дополнительные УРБ присоединяются к центральному по бокам в случае необходимости увеличения массы полезной нагрузки, выводимой в космос. Так как первая ступень РН является основной составной частью любой космической системы, унификация ее компонентов позволяет существенно снизить стоимость изготовления ракеты и упростить процесс подготовки к старту.

В последние годы для модернизации существующих РН и разработки перспективных РН в ГП «КБ Южное» для использования на первых ступенях РН разрабатываются новые двухкомпонентные жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) РД-810 и РД-801 (рис. 1, 2), использующие компоненты топлива жидкий кислород-керосин.

Проекти, що потребують розширення експериментального виробництва. Йдеться про проекти зі створення зразків ракетно-космічної техніки, які мають відповідати двом основним вимогам сучасного ринкового середовища: конкурентоспроможності за ціною та підвищеним вимогам до споживчих характеристик РКТ. Зпоміж таких проектів варто виокремити:

• проект із доопрацювання американсько-української ракети-носія (РН) «Антарес» у частині змін конструкції її першого ступеня (доопрацювання має здійснюватися відповідно до узгодженої програми з метою забезпечення чергових запусків РН);

• ракетно-космічний комплекс «Назем ний старт»; заплановано запуск вітчизняного апарату «Либідь», а також російського КА «Спектр» за допомогою українсько-російського РН «Зеніт-SLБФ»; необхідно виконати комплекс доопрацювань та організаційно-технічних заходів зі зниження вартості РН «Зеніт» (сьогодні ціна РН «Зеніт» з різних причин перевищує ціну більш потужної РН «Протон»);

• РН «Циклон»; хоча на сьогодні цей проект зупинено, багато рішень щодо «Циклону» використовуються в інших проектах; наприклад, її третій ступінь має потенційних замовників для застосування у складі інших РН; для використання необхідно виконати відповідний комплекс проектно-конструкторських та експериментальних робіт;

• європейську РН «Вега»; є реальна перспектива подальшого удосконалення, а також замовлення на поставку партії з дев’яти маршових двигунів четвертого ступеня ракети-носія;

• для РН досліджуватиметься можливість переходу від високовартісної конструкції баків до їх створення на базі стрингерних панелей; система управління також української розробки і виробництва; нині тривають роботи зі створення системи управління на нових принципах із максимальним використанням сучасної гіроскопії, інформації від GPS та системи астрокорекції;

• розроблення нових РН «Голка» та «Вектор», які мають бути конкурентоспроможними за ціновими характеристиками;

Розроблення двигунів спрямовуватиметься насамперед на оснащення ракет-носіїв серії «Маяк». Наприклад, РН «Маяк-3,9» – ракета-носій «Зеніт» –повністю вітчизняного розроблення та виготовлення. На її першому ступені розглядається використання в’язки трьох двигунів РД-145, на другому – двигуни РД-120 та РД-835ДП. Створення РН «Маяк-3,9» – реальна перспектива забезпечення завантаження ДП «КБ «Південне» і ДП «ВО «ПМЗ». Розпочато розроблення двигунів РД-810, РД-815 та РД-835, якими перекриватиметься весь діапазон необхідних на комерційному ринку тягових характеристик – від 200 до 1000 тонн. Нині між ДП «КБ «Південне» та ДП «ВО «ПМЗ» підписано чотири контракти з розроблення двигунів.

На основе вышеуказанных ЖРД возможно создать семейство блочных РН в составе единого космического ракетного комплекса, конкурентоспособных жидкостных РН легкого, среднего и тяжелого классов для коммерческого использования на рынке космических запусков, в том числе в рамках совместных проектов с иностранными партнерами.

Работы по концепции создания семейства РН на экологически чистых компонентах топлива «жидкий кислород + керосин» ведутся в ГП «КБ Южное» в течение длительного времени, в первую очередь с учетом мест размещения стартовых площадок на различных существующих космодромах, применения в компоновках РН стартовых ускорителей, унификации систем наземного комплекса и т. д.

Комплексный анализ существующего парка РН показал целесообразность создания системного ряда (семейства) новых конкурентоспособных РН с широким потенциалом технических и эксплуатационных возможностей и высокой способностью к адаптации к запросам заказчиков пусковых услуг.

В основу проекта модульных РН заложены ракетные блоки первой ступени различного диаметра на основе ДУ РД-801 или РД-810 (рис. 6, 7).

Ракетный блок первой ступени состоит из межступенной рамы, баков окислителя и горючего, хвостового отсека и блока ДУ. В зависимости от назначения блоки ДУ могут состоять из одного, двух или трех ЖРД. Реализация заданных проектно-конструкторских характеристик ступени достигается за счет сбалансированного сочетания новых и существующих технологий, широкого использования высоконадежных серийных узлов и агрегатов, построения бортовой и наземной аппаратуры РН на единой элементной базе. Вторые ступени модульных РН создаются на базе выбора оптимальных параметров, основываясь на поставленной задаче и конструкции первой ступени (рис. 8).

Конструкция ракетного блока второй ступени состоит из переходного адаптера ПГ, баков окислителя и горючего, хвостового отсека и блока ЖРД.

Головной обтекатель выполняется в нескольких вариантах в зависимости от конструкции РН. 

В зависимости от предъявляемых требований бизнес-плана по созданию семейства блочных РН оно может включать в себя достаточно большое количество РН. Пример такого ряда представлен на рис. 9, где приведена также предварительная оценка энергетических характеристик этих РН.

Единые для всех ракетных блоков семейства компоненты топлива позволяют упростить наземную инфраструктуру, габариты ракетных блоков и компоновку РН, обеспечить их транспортировку любым типом транспорта – железнодорожным, морским, авиационным или автодорожным, а также упростить эксплуатацию на стартовом и техническом комплексах. Конструкция ракет полностью соответствует существующему производству в ГП «ПО ЮМЗ» и использованию хорошо освоенных и умеренных по затратам материалов и технологий.

В основу разработки унифицированного наземного комплекса (НК) для семейства РН с учетом предыдущих разработок заложены следующие общие положения и критерии:
– максимальное упрощение выполняемых операций с максимальной надежностью при минимальной номенклатуре строительных сооружений и технологического оборудования;
– максимальная безопасность как обслуживающего персонала при выполнении всех технологических операций по подготовке и пуску РКН, так и безопасность оборудования в различных, в том числе аварийных ситуациях, а также экологическая безопасность окружающей среды при эксплуатации НК;
– минимальная стоимость создания и эксплуатации НК и его составных частей.

Для запуска всех РН легкого, среднего, и тяжелого классов экономически целесообразным является создание единого универсального технического комплекса и единой универсальной стартовой площадки, способных провести подготовку и выполнить пуск любой РН семейства. 

На начальном этапе стартовая площадка может использоваться для запуска РН легкого и среднего классов, однако уже в начальной стадии ее создания необходимо заложить технологическую основу для запуска РКН тяжелого класса.

Пример универсального стартового стола приведен на рис. 10.

Предложенный авторами подход к модульной разработке РН легкого, среднего, и тяжелого классов с максимальным учетом многолетнего опыта ГП «КБ Южное» по созданию ракетных комплексов и наличием семейства ЖРД позволяет создать семейство блочных РН в составе единого космического ракетного комплекса с минимальными сроками разработки, финансовыми затратами и высокой надежностью.