A conquista do espaço sideral tornou-se uma das conquistas mais importantes e marcantes da humanidade. A criação de veículos de lançamento e a infraestrutura para seu lançamento exigiu enormes esforços dos principais países do mundo. Em nossa época, há uma tendência de criar veículos lançadores totalmente reutilizáveis, capazes de realizar dezenas de voos ao espaço. Seu desenvolvimento e operação ainda requerem enormes recursos, que só podem ser alocados por estados ou grandes corporações (novamente, com o apoio do estado).
No início do século XXI, o aperfeiçoamento e miniaturização dos componentes eletrônicos possibilitaram a criação de satélites de pequeno porte (os chamados "microssatélites" e "nanossatélites"), cuja massa está na faixa de 1-100. kg. Recentemente, estamos falando de "picossatélites" (pesando de 100 ga 1 kg) e "femto satélites" (pesando menos de 100 g). Esses satélites podem ser lançados como carga de grupagem de diferentes clientes ou como uma carga de passagem para espaçonaves "grandes" (SC). Este método de lançamento nem sempre é conveniente, uma vez que os fabricantes de nanosatélites (a seguir usaremos essa designação para todas as dimensões de espaçonaves ultrapequenas) têm que se adaptar à programação dos clientes para o lançamento da carga principal, bem como devido a diferenças nas órbitas de lançamento.
Isso levou ao surgimento da demanda por veículos de lançamento ultrapequenos, capazes de lançar espaçonaves pesando cerca de 1-100 kg.
DARPA e KB "MiG"
Foram e estão sendo desenvolvidos muitos projetos de veículos lançadores ultraleves - com lançamento terrestre, aéreo e marítimo. Em particular, a agência americana DARPA estava trabalhando ativamente no problema do lançamento rápido de espaçonaves ultrapequenas. Em particular, pode-se lembrar o projeto ALASA, lançado em 2012, no âmbito do qual foi planejada a criação de um foguete de pequeno porte projetado para lançar um caça F-15E e lançar satélites de até 45 kg em órbita de baixa referência (LEO).
O motor de foguete instalado no foguete tinha que operar com monopropelente NA-7, incluindo monopropileno, óxido nitroso e acetileno. O custo de lançamento não ultrapassou US $ 1 milhão. Presumivelmente, foram problemas com o combustível, em particular com a sua combustão espontânea e tendência para explodir, que puseram fim a este projecto.
Um projeto semelhante estava sendo desenvolvido na Rússia. Em 1997, o escritório de projeto MiG, junto com o Cazaquistão (Cazaquistão), começou a desenvolver um sistema de lançamento de carga útil (PN) usando um interceptor MiG-31I convertido (Ishim). O projeto foi desenvolvido com base nas bases para a criação de uma modificação anti-satélite do MiG-31D.
O foguete de três estágios, lançado a uma altitude de cerca de 17.000 metros e a uma velocidade de 3.000 km / h, deveria fornecer uma carga útil pesando 160 kg em órbita a uma altitude de 300 quilômetros, e uma carga útil pesando 120 kg em órbita a uma altitude de 600 quilômetros.
A difícil situação financeira da Rússia no final dos anos 90 e início dos anos 2000 não permitiu que este projeto fosse realizado em metal, embora seja possível que obstáculos técnicos possam surgir no processo de desenvolvimento.
Houve muitos outros projetos de veículos de lançamento ultraleves. Sua característica distintiva pode ser considerada o desenvolvimento de projetos por estruturas estatais ou grandes corporações (praticamente "estatais"). Plataformas complexas e caras, como caças, bombardeiros ou aeronaves de transporte pesado, muitas vezes tinham que ser usadas como plataformas de lançamento.
Tudo isso junto complicou o desenvolvimento e aumentou o custo dos complexos, e agora a liderança na criação de veículos lançadores ultraleves passou para as mãos de empresas privadas.
Laboratório de foguetes
Um dos mais bem-sucedidos e conhecidos projetos de foguetes ultraleves pode ser considerado o veículo de lançamento "Electron" da empresa norte-americana-neozelandesa Rocket Lab. Este foguete de dois estágios com uma massa de 12.550 kg é capaz de lançar 250 kg de PS ou 150 kg de PS em uma órbita sincronizada com o sol (SSO) com uma altitude de 500 quilômetros em LEO. A empresa planeja lançar até 130 mísseis por ano.
O projeto do foguete é feito de fibra de carbono; motores a jato de propelente líquido (LRE) são usados em um par de combustível querosene + oxigênio. Para simplificar e reduzir o custo do projeto, utiliza baterias de polímero de lítio como fonte de energia, sistemas de controle pneumático e um sistema de deslocamento de combustível dos tanques, operando com hélio comprimido. Na fabricação de motores de foguetes de propelente líquido e outros componentes de foguetes, tecnologias aditivas são usadas ativamente.
Pode-se notar que o primeiro foguete do Rocket Lab foi o foguete meteorológico Kosmos-1 (Atea-1 na língua maori), capaz de elevar 2 kg de carga útil a uma altitude de cerca de 120 quilômetros.
Lin Industrial
O “análogo” russo do Rocket Lab pode ser chamado de empresa “Lin Industrial”, que desenvolve projetos tanto para o foguete suborbital mais simples, capaz de atingir uma altitude de 100 km, quanto para veículos lançadores projetados para produzir cargas úteis para LEO e SSO.
Embora o mercado de mísseis suborbitais (principalmente como foguetes meteorológicos e geofísicos) seja dominado por soluções com motores de combustível sólido, a Lin Industrial está construindo seu foguete suborbital baseado em motores de foguete de combustível líquido alimentados por querosene e peróxido de hidrogênio. Muito provavelmente, isso se deve ao fato de que a Lin Industrial vê sua principal direção de desenvolvimento no lançamento comercial do veículo de lançamento em órbita, e o foguete suborbital de propelente líquido é mais provável de ser usado para desenvolver soluções técnicas.
O principal projeto da Lin Industrial é o lançador ultraleve Taimyr. Inicialmente, o projeto previa um layout modular com disposição em série-paralelo de módulos, que permite a formação de um veículo lançador com possibilidade de saída de uma carga útil de 10 a 180 kg para o LEO. A alteração da massa mínima do veículo lançador lançado seria garantida pela alteração do número de unidades de mísseis universais (UBR) - URB-1, URB-2 e URB-3 e da unidade de foguete de terceiro estágio RB-2.
Os motores do lançador Taimyr devem operar com querosene e peróxido de hidrogênio concentrado, o combustível deve ser fornecido por deslocamento com hélio comprimido. Espera-se que o projeto use amplamente materiais compostos, incluindo plásticos reforçados com fibra de carbono e componentes impressos em 3D.
Mais tarde, a empresa Lin Industrial abandonou o esquema modular - o veículo de lançamento passou a ser de duas fases, com uma disposição sequencial de etapas, como resultado a aparência do veículo de lançamento Taimyr começou a se assemelhar à aparência do veículo de lançamento Electron por Rocket Lab. Além disso, o sistema de deslocamento do hélio comprimido foi substituído pelo fornecimento de combustível por meio de bombas elétricas movidas a baterias.
O primeiro lançamento do Taimyr LV está planejado para 2023.
IHI Aerospace
Um dos veículos de lançamento ultraleves mais interessantes é o foguete de propelente sólido SS-520 de três estágios fabricado pela IHI Aerospace, criado com base no foguete geofísico S-520 adicionando um terceiro estágio e o refinamento correspondente dos sistemas de bordo. A altura do foguete SS-520 é de 9,54 metros, o diâmetro é de 0,54 metros, o peso de lançamento é de 2600 kg. A carga útil entregue à LEO é de cerca de 4 kg.
O corpo do primeiro estágio é feito de aço de alta resistência, o segundo estágio é feito de composto de fibra de carbono, a carenagem da cabeça é feita de fibra de vidro. Todos os três estágios são combustíveis sólidos. O sistema de controle do SS-520 LV é periodicamente ligado no momento da separação do primeiro e do segundo estágio, e no restante do tempo o foguete é estabilizado por rotação.
Em 3 de fevereiro de 2018, o SS-520-4 LV lançou com sucesso um cubo TRICOM-1R com massa de 3 quilos, projetado para demonstrar a possibilidade de criar espaçonaves a partir de componentes eletrônicos de consumo. Na época do lançamento, o SS-520-4 LV era o menor veículo de lançamento do mundo, o que está registrado no Guinness Book of Records.
A criação de veículos de lançamento ultrapequenos baseados em foguetes meteorológicos e geofísicos de propelente sólido pode ser uma direção bastante promissora. Esses mísseis são de fácil manutenção, podem ser armazenados por um longo tempo em condições que garantam sua preparação para o lançamento no menor tempo possível.
O custo de um motor de foguete pode ser cerca de 50% do custo de um foguete e é improvável que seja possível chegar a um valor inferior a 30%, mesmo levando em consideração o uso de tecnologias aditivas. Em veículos de lançamento de propelente sólido, um oxidante criogênico não é usado, o que requer condições especiais de armazenamento e reabastecimento imediatamente antes do lançamento. Ao mesmo tempo, para a fabricação de cargas de propelente sólido, tecnologias aditivas também estão sendo desenvolvidas que permitem "imprimir" cargas de combustível na configuração necessária.
As dimensões compactas dos veículos lançadores ultraleves simplificam seu transporte e permitem o lançamento de vários pontos do planeta para obter a inclinação orbital necessária. Para veículos de lançamento ultraleves, uma plataforma de lançamento muito mais simples é necessária do que para foguetes "grandes", o que o torna móvel.
Existem projetos de tais mísseis na Rússia e em que base eles podem ser implementados?
Na URSS, um número significativo de foguetes meteorológicos foi produzido - MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR -20 e foguetes 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. Muitos desses projetos foram baseados em desenvolvimentos militares em mísseis balísticos ou anti-mísseis. Durante os anos de exploração ativa da alta atmosfera, o número de lançamentos atingiu 600-700 foguetes por ano.
Após o colapso da URSS, o número de lançamentos e tipos de mísseis foi radicalmente reduzido. No momento, a Roshydromet usa dois complexos - o MR-30 com o foguete MN-300 desenvolvido pelo NPO Typhoon / OKB Novator e o míssil meteorológico MERA desenvolvido pela KBP JSC.
MR-30 (MN-300)
O míssil do complexo MR-30 fornece levantamento de 50-150 kg de equipamento científico a uma altitude de 300 quilômetros. O comprimento do foguete MN-300 é de 8012 mm com um diâmetro de 445 mm, o peso de lançamento é de 1558 kg. O custo de um lançamento do foguete MN-300 é estimado em 55-60 milhões de rublos.
Com base no foguete MN-300, está sendo considerada a possibilidade de criar um veículo lançador ultrapequeno IR-300 adicionando um segundo estágio e um estágio superior (na verdade, um terceiro estágio). Ou seja, de fato, propõe-se repetir a experiência bastante bem-sucedida de implementação do veículo de lançamento ultraleve SS-520 japonês.
Ao mesmo tempo, alguns especialistas expressam a opinião de que uma vez que a velocidade máxima do foguete MN-300 é de cerca de 2.000 m / s, então para obter a primeira velocidade cósmica de cerca de 8.000 m / s, que é necessário colocar o veículo de lançamento em órbita, pode exigir uma revisão muito séria do projeto original, que é essencialmente o desenvolvimento de um novo produto, o que pode levar a um aumento no custo de lançamento em quase uma ordem de magnitude e torná-lo não lucrativo em comparação com os concorrentes.
MEDIR
O foguete meteorológico MERA foi projetado para elevar uma carga útil de 2 a 3 kg a uma altitude de 110 quilômetros. A massa do foguete MERA é de 67 kg.
À primeira vista, o foguete meteorológico MERA é absolutamente inadequado para ser usado como base para a criação de um veículo lançador ultraleve, mas, ao mesmo tempo, existem algumas nuances que permitem desafiar esse ponto de vista.
O míssil meteorológico MERA é um bicaliber de dois estágios, sendo que apenas o primeiro estágio desempenha a função de aceleração, o segundo - após a separação, voa por inércia, o que torna este complexo semelhante aos mísseis guiados antiaéreos (SAM) dos Tunguska e Complexos de mísseis antiaéreos e canhões Pantsir (ZRPK). Na verdade, com base em mísseis para os sistemas de mísseis de defesa aérea desses complexos, foi criado o foguete meteorológico MERA.
O primeiro estágio é um corpo composto com uma carga de propelente sólida colocada nele. Em 2,5 segundos, o primeiro estágio acelera o foguete meteorológico a uma velocidade de 5M (velocidades do som), que é cerca de 1500 m / s. O diâmetro do primeiro estágio é de 170 mm.
O primeiro estágio do foguete meteorológico MERA, feito com o enrolamento de um material compósito, é extremamente leve (se comparado a estruturas de aço e alumínio de dimensões semelhantes) - seu peso é de apenas 55 kg. Além disso, seu custo deve ser significativamente menor do que soluções feitas de fibra de carbono.
Com base nisso, pode-se supor que com base na primeira etapa do foguete meteorológico MERA, um módulo de foguete unificado (URM) pode ser desenvolvido, projetado para a formação de lotes de estágios de veículos lançadores ultraleves
Na verdade, haverá dois desses módulos, eles se diferenciarão no bico de um motor de foguete, otimizado, respectivamente, para operação na atmosfera ou no vácuo. No momento, o diâmetro máximo das carcaças fabricadas pela JSC KBP pelo método de enrolamento é supostamente de 220 mm. É possível que haja viabilidade técnica de fabricação de caixas compostas de maior diâmetro e comprimento.
Por outro lado, é possível que a solução ótima seja a fabricação de cascos, cujo tamanho será unificado com qualquer munição para o sistema de mísseis de defesa aérea Pantsir, mísseis guiados do complexo de Hermes ou foguetes meteorológicos MERA, que irão reduzir o custo de um único produto, aumentando o volume de lançamento em série do mesmo tipo de produtos.
Os estágios do lançador devem ser recrutados na URM, fixados em paralelo, enquanto a separação dos estágios será feita de forma transversal - não há separação longitudinal do URM no estágio. Pode-se presumir que os estágios de tal veículo de lançamento terão uma grande massa parasita em comparação com um corpo monobloco de diâmetro maior. Isso é parcialmente verdade, mas o baixo peso da caixa feita de materiais compósitos torna possível nivelar amplamente esta desvantagem. Pode acontecer que uma caixa de grande diâmetro, feita com tecnologia semelhante, seja muito mais difícil e cara de fabricar, e suas paredes terão que ser muito mais espessas para garantir a necessária rigidez da estrutura do que a dos URMs conectados por um pacote, de modo que no final há muito monobloco e as soluções de pacote serão comparáveis a um custo menor deste último. E é altamente provável que uma caixa monobloco de aço ou alumínio seja mais pesada do que uma caixa composta.
A conexão paralela do URM pode ser realizada por meio de elementos fresados compostos planos localizados nas partes superior e inferior do degrau (nos pontos de estreitamento do corpo do URM). Se necessário, contrapisos adicionais feitos de materiais compostos podem ser usados. Para reduzir o custo de estrutura, materiais tecnológicos e industriais baratos, adesivos de alta resistência devem ser usados tanto quanto possível.
Da mesma forma, os estágios LV podem ser interconectados por elementos tubulares ou de reforço compostos, e a estrutura pode ser indissociável, quando os estágios são separados, os elementos de suporte de carga podem ser destruídos por piro cargas de forma controlada. Além disso, para aumentar a confiabilidade, as piro cargas podem estar localizadas em vários pontos localizados sequencialmente da estrutura de suporte e ser iniciadas tanto por ignição elétrica quanto por ignição direta da chama dos motores do estágio superior, quando eles são ligados (para tiro o estágio inferior se a ignição elétrica não funcionou).
O veículo lançador pode ser controlado da mesma forma que no veículo lançador ultraleve japonês SS-520. A opção de instalar um sistema de controle de comando por rádio, semelhante ao instalado no sistema de mísseis de defesa aérea Pantsir, também pode ser considerada para corrigir o lançamento do veículo lançador pelo menos em uma parte da trajetória de voo (e possivelmente em todas as fases de o voo). Potencialmente, isso reduzirá a quantidade de equipamentos caros a bordo de um foguete de uso único, transportando-o para um veículo de controle “reutilizável”.
Pode-se supor que, levando em consideração a estrutura de suporte, os elementos de conexão e o sistema de controle, o produto final será capaz de entregar uma carga útil de vários quilogramas a várias dezenas de quilogramas para LEO (dependendo do número de módulos de foguete unificados nas etapas) e competir com o ultraleve japonês SS-LV.520 e outros veículos de lançamento ultraleves semelhantes desenvolvidos por empresas russas e estrangeiras.
Para a comercialização bem-sucedida do projeto, o custo estimado de lançamento do veículo lançador ultraleve MERA-K não deve exceder US $ 3,5 milhões (este é o custo de lançamento do veículo lançador SS-520).
Além de aplicações comerciais, o veículo de lançamento MERA-K pode ser usado para a retirada de emergência de espaçonaves militares, cujo tamanho e peso também diminuirão gradualmente.
Além disso, os desenvolvimentos obtidos durante a implementação do veículo de lançamento MERA-K podem ser usados para criar armas avançadas, por exemplo, um complexo hipersônico com uma ogiva convencional na forma de um planador compacto, que é lançado após o lançamento do lançamento veículo até o ponto superior da trajetória.
