Como você sabe, o documento principal que define os interesses do Estado, os principais objetivos, prioridades e tarefas da Rússia no campo da pesquisa, exploração e uso do espaço exterior, foi aprovado pelo Presidente da Federação Russa, Vladimir Putin, em abril de 2013 "Fundamentos da política estatal da Federação Russa no campo das atividades espaciais para o período até 2030 e além".
De acordo com este documento, as principais prioridades são garantir o acesso garantido da Rússia ao espaço desde o seu território com o desenvolvimento e utilização de tecnologias, tecnologias, obras e serviços espaciais no interesse da esfera socioeconómica e da defesa do país. como a segurança do estado; a criação de ativos espaciais no interesse da ciência; atividades relacionadas com a implementação de voos tripulados, incluindo a criação de uma base científica e técnica para a implementação de voos tripulados a planetas e outros corpos do sistema solar no âmbito da cooperação internacional.
A implementação desses objetivos é assegurada através do uso e desenvolvimento do potencial científico, técnico e de produção existente para a criação de veículos lançadores promissores, rebocadores interorbitais, sistemas de alvo e serviço de espaçonaves automáticas (SC), espaçonaves tripuladas de nova geração, elementos de infraestrutura para atividades no espaço profundo e tecnologias inovadoras para resolver problemas-alvo e tecnologias de produção.
O resultado será a preservação do status da Rússia como uma das principais potências espaciais, a confirmação da autossuficiência no suporte de suas próprias atividades espaciais em todo o espectro de tarefas que requerem a criação de uma constelação orbital de espaçonaves com base em um sistema economicamente eficiente frota de veículos de lançamento russos.
A necessidade de manter uma posição estável e competitividade no mercado de serviços de lançamento é um incentivo para melhorar os indicadores técnicos e econômicos das aeronaves, principalmente para aumentar sua capacidade energética.
Todos esses fatores foram mais claramente manifestados no exemplo do produto economicamente mais bem-sucedido da cosmonáutica russa - o veículo de lançamento de classe pesada "Proton". Foi o lançamento do foguete Proton no mercado internacional de serviços de lançamento e sua constante modernização que permitiu aos GKNPTs im. MV Khrunichev para sobreviver na década de 90 e "zero" e manter a cooperação industrial, garantindo a manutenção do grupo orbital russo de naves espaciais e participação em projetos internacionais.
Carga útil em escalas de competição
Para determinar qual SV desenvolver no FKP-2025, deve-se entender que as capacidades de energia do veículo lançador são determinadas pela massa da carga útil lançada na órbita de trabalho. Muitas vezes, embora não totalmente correto, ao avaliar a energia LV, uma órbita terrestre baixa com uma altitude de 200 quilômetros e uma inclinação igual à latitude do ponto de lançamento é usada. Para o funcionamento da espaçonave, esta órbita não é utilizada como funcional, pois, devido à desaceleração da atmosfera, o tempo de existência da espaçonave nela não ultrapassa uma semana. Entre a variedade de espaçonaves, o mercado mais caro e de uso intensivo de recursos para espaçonaves de telecomunicações operando em órbita geoestacionária.
Existem duas características de lançamentos comerciais de naves espaciais de telecomunicações. A massa de espaçonaves comerciais está crescendo mais rápido do que as lançadas sob programas federais. Mas, como você pode ver no gráfico, até mesmo a massa de espaçonaves comerciais está longe de ser ilimitada e, para seu lançamento, uma classe superpesada LV (STK LV) do tipo SLS não é necessária.
Também existem diferenças no design balístico dos lançamentos comerciais. Acontece que as espaçonaves estrangeiras, ao contrário das domésticas, não são colocadas imediatamente em uma órbita geoestacionária, mas em uma "órbita de transferência geográfica padrão" de apogeu intermediário alto. A espaçonave, separada do LV sobre ela, após uma pausa balística de cerca de cinco horas no apogeu da órbita, com a ajuda de seu próprio sistema de propulsão, realiza um impulso que garante a formação de uma órbita geoestacionária. Levando em consideração o consumo de combustível, a massa da carga lançada na órbita de transferência geossíncrona intermediária deve ser aproximadamente 1,6 vezes maior do que na órbita de trabalho, ou seja, geoestacionária.
Mas voltemos ao Proton - apenas a necessidade de manter a competitividade no mercado de serviços de lançamento tornou-se o motivo para a realização de quatro etapas de sua modernização em detrimento dos recursos dos lançamentos comerciais do Proton LV - da versão inicial do Proton-K para Proton-M e desenvolvimento do veículo lançador de Proton do novo Estágio Superior (RB) Briz-M, que possibilitou aumentar a massa da carga entregue à órbita geoestacionária de 2, 6 para 3,5 toneladas e para a geoestacionária órbita de transferência - de 4,5 a 6, 3 toneladas. Mas não importa o quão bom seja o portador Proton, seus lançamentos não são feitos a partir do território da Rússia. Também há problemas com o fornecimento de combustível para o Proton, um heptilo altamente tóxico usado em mísseis militares e pertencente às substâncias da primeira e mais alta classe de perigo.
A liderança do país atribuiu à indústria a tarefa de garantir o acesso garantido ao espaço a partir de seu território - os lançamentos de espaçonaves devem ser realizados por foguetes desenvolvidos e fabricados na Rússia. Além disso, é preciso melhorar a segurança ambiental dos lançamentos, eliminando o uso de combustível tóxico.
Essas tarefas deverão ser resolvidas pelo programa de criação de um veículo lançador de classe pesada "Angara", que garantirá o lançamento garantido de espaçonaves de telecomunicações e meteorológicas e espaçonaves em órbita geoestacionária, garantindo a defesa e segurança do estado.
Infelizmente, o lançador "Angara" foi criado há muito tempo. O decreto do governo da Federação Russa sobre o desenvolvimento de um projeto de um complexo de foguetes espaciais (SRS) de classe pesada foi adotado com base nos resultados de uma competição realizada 22 anos antes do primeiro lançamento do LV. O financiamento real para o programa começou depois de 2005. Foi possível realizar dois lançamentos de teste com sucesso em 2014 e agendar lançamentos de LV com cargas úteis previstas a partir de 2016. Quando lançado do cosmódromo de Plesetsk, as capacidades energéticas do veículo de lançamento Angara-A5 com um RB KVTK criogênico garantirão o lançamento de uma carga útil pesando 4,5 toneladas em uma órbita geoestacionária e 7,5 toneladas em uma órbita geoestacionária padrão (ao usar o Briz -M RB - 2, 9 e 5, 4 toneladas, respectivamente).
Quando a espaçonave Angara for implantada no cosmódromo de Vostochny, as capacidades energéticas do veículo de lançamento Angara-A5 com um RB de oxigênio-hidrogênio do KBTK garantirão o lançamento de uma carga útil pesando até cinco toneladas em uma órbita geoestacionária, e até oito toneladas em uma órbita geoestacionária. Esta reserva de energia é suficiente em um futuro próximo para o lançamento de espaçonaves sob programas federais, mas não permite competir para o lançamento de espaçonaves de faixa de preço superior com novos veículos de lançamento estrangeiros de classe pesada com carga útil aumentada - Delta-IVH, Ariane-5ECA e Atlas -5. Em particular, o veículo de lançamento Atlas-5 da série 500 lança até 8,7 toneladas na órbita de geotransferência, e o mais poderoso dos veículos de lançamento usado para lançar a espaçonave do Departamento de Defesa dos EUA (Delta-IVH) fornece o lançamento de uma carga útil com uma massa de até 13 na órbita de geotransferência 1 tonelada.
Após uma análise abrangente das prioridades e requisitos para as capacidades de energia dos veículos terrestres, bem como o estado do mercado de serviços espaciais, o STC de Roskosmos determinou que, a fim de resolver problemas no espaço sideral, incluindo o lançamento de espaçonaves promissoras com um massa de pelo menos sete toneladas em uma órbita geoestacionária e 12 toneladas em uma órbita geoestacionária, um veículo de lançamento capaz de colocar pelo menos 35 toneladas de carga útil em órbita baixa da terra.
Esse veículo de lançamento - "Angara-A5V" pode ser criado substituindo o terceiro estágio de oxigênio-querosene do veículo de lançamento "Angara-A5" pelo estágio de oxigênio-hidrogênio de um novo design. O veículo lançador "Angara-A5V" é unificado ao máximo com o veículo lançador "Angara-A5" criado, inclusive em termos de instalações de infraestrutura do espaço terrestre. Em termos de capacidades energéticas, o veículo de lançamento Angara-A5V corresponderá aos veículos de lançamento estrangeiros atualmente desenvolvidos com maior carga útil, como Ariane-6 (Europa), Vulcan (EUA), CZ-5 (China) e N-3 (Japão) e proporcionará No futuro próximo, a competitividade dos veículos espaciais de classe pesada russos no mercado mundial de serviços espaciais.
Nossos veículos lançadores pesados "Proton-M" e "Angara-A5" com motores de foguete de propelente líquido (LPRE) são proporcionais aos veículos lançadores estrangeiros, tanto na relação empuxo-peso quanto nas massas de carga útil lançadas em órbitas especificadas.
Gás ou sem gás
Atualmente, a frota de SVs domésticos consiste no veículo de lançamento de classe leve Rokot, o veículo de lançamento de classe média Soyuz com o lançador de mísseis Fregat e o veículo de lançamento de classe pesada Proton com os lançadores de mísseis DM e Briz-M.
Num futuro próximo, os veículos de lançamento "heptyl" "Rokot" e "Proton" irão substituir os veículos de lançamento ecológicos da família "Angara". Ao mesmo tempo, pretende-se aprimorar a tecnologia e reduzir o custo dos lançadores de série Angara-A5. Também estão planejados trabalhos para substituir o “heptyl” RB “Fregat” por um RB “ML” de tamanho pequeno usando componentes ecologicamente corretos. Também está planejado substituir o veterano do foguete doméstico do veículo de lançamento Soyuz por um promissor veículo de lançamento de classe média, que está sendo criado como parte do trabalho de desenvolvimento do Phoenix. Durante o seu desenvolvimento, prevê-se a implementação de tecnologias promissoras que garantam o aumento das características operacionais, incluindo a utilização de gás natural liquefeito (GNL) como combustível de foguete.
Espaço aberto
Por que o GNL é interessante? A principal vantagem é a possibilidade fundamental de reduzir o custo do sistema de propulsão (PS) do veículo lançador devido a uma diminuição radical da pressão de operação na câmara de combustão do motor (de 250-260 para 160-170 atmosferas) com leve (≈4%) aumento no impulso específico do vazio. Um aumento neste último parâmetro permite manter o nível alcançado de energia e as características de massa dos estágios LV, apesar do fato de que a densidade do LNG é a metade da do querosene. Uma característica dos motores de foguetes de propelente líquido alimentados a GNL é a possibilidade de desenvolver um motor de esquema de recuperação, menos sujeito ao rápido desenvolvimento explosivo de situações de emergência. Em geral, as avaliações técnicas e econômicas preliminares mostram que é possível esperar uma redução no custo dos sistemas de propulsão para GNL em cerca de 1,5 vezes em comparação com os sistemas de propulsão baseados em motores de foguete a querosene de alta pressão existentes, o que aumentará a competitividade dos domésticos veículos de lançamento.
Avaliando a experiência de criação de um veículo de lançamento superpesado, deve-se destacar que Energia - Buran é sem dúvida o apogeu da tecnologia de foguetes domésticos, um programa de destaque em termos de organização, concentração de recursos, conquistas no desenvolvimento de novos estruturais e calor - materiais de proteção, domínio de tecnologias para a criação de potentes motores a querosene e hidrogênio, produção e transporte de grandes volumes de hidrogênio líquido, aerodinâmica hipersônica, etc. Todo o país trabalhou para isso, mas o estado não tinha os meios, forças e metas para implantar este sistema espacial em órbita. Paralelamente, ao longo de 10 anos de trabalho na criação do complexo “Energia” - “Buran”, foram gastos mais de um terço dos fundos atribuídos às actividades espaciais, o que afectou a eficácia da implementação das restantes áreas.
Durante este período, a Agência Espacial Europeia (ESA) desenvolveu e começou a lançar o Ariane-4 LV de classe média. A empresa Arianspace com este foguete ocupou mais da metade do mercado de lançamentos comerciais em órbita de geotransferência e, com dinheiro ganho, criou o veículo lançador de classe pesada Ariane-5, que ainda garante a execução dos programas espaciais da ESA e detém mais de 40 por cento do mercado mundial de serviços de lançamento.
O jornal "VPK" (nº 27) escreveu: "… O Pentágono deve sentir uma sensação de profunda satisfação, observando como a Rússia está sendo levada cada vez mais longe da criação de veículos de lançamento superpesados modernos", mas estima mostram que todas as tarefas militares no futuro previsível o Pentágono vai resolver, utilizando os veículos de lançamento de uma classe pesada do tipo Delta IVH e Atlas-5, e não o veículo de lançamento SLS, criado para voos interplanetários. É incorreto comparar as capacidades de energia do veículo de lançamento Angara-A5 de 25 toneladas e do veículo de lançamento SLS de 130 toneladas - é como dizer: "Um caminhão basculante de 130 toneladas é mais frio do que KamAZ, e Gazelle não é uma máquina em tudo." De forma alguma: qualquer veículo - um carro ou um foguete, para ser eficaz, deve ser operado próximo ao limite superior de sua capacidade de energia. Se o lançador for conduzido vazio, o custo unitário de lançamento da carga útil aumenta, sendo este um dos principais indicadores da eficiência do lançador. Portanto, o estado não precisa de um veículo de lançamento superpotente, mas de uma frota perfeitamente equilibrada de SVs de várias cargas úteis para cargas úteis específicas. Se não houver tais cargas para o LV, então corre o risco de compartilhar o destino da Energia. A propósito, é significativo que dois foguetes Saturn-5 no final da missão à lua tenham sido enviados pela NASA e pelo Departamento de Defesa dos EUA a um museu sem encontrar uma carga útil para eles.
A questão do uso direcionado do veículo de lançamento STK foi considerada no STC de Roskosmos - eles chegaram à conclusão de que não há necessidade de lançar monocargas pesando 50–70 toneladas antes de 2030–2035. As prioridades da indústria espacial russa, repetimos, são definidas nos "Fundamentos da política de estado no campo das atividades espaciais …" As principais tarefas são o desenvolvimento de grupos orbitais de espaçonaves para fins científicos, socioeconômicos e duais. É por isso que, no sentido de desenvolver um veículo de lançamento superpesado, o Roskosmos NTS decidiu até 2025 limitar-se à criação de uma base científica e técnica e ao desenvolvimento de tecnologias promissoras.
Deve-se admitir que agora o estado do grupo orbital russo de espaçonaves, para dizer o mínimo, não é o mais próspero. Em particular, uma constelação de espaçonaves de sensoriamento remoto da Terra (ERS) consiste em apenas sete espaçonaves e satisfaz as necessidades dos consumidores domésticos no nível de 20-30 por cento, enquanto as constelações ERS dos EUA, países europeus e China consistem em mais de 35 espaçonaves cada, fornecendo superfície de controle global da Terra, incluindo no alcance do radar. Mesmo na Índia, a constelação de satélites ERS inclui 17 satélites. É para onde os fundos do FKP-2025 devem ir em primeiro lugar - no desenvolvimento de espaçonaves de comunicação, navegação, sensoriamento remoto, meteorologia, incluindo espaçonaves com alta resolução espacial para todos os climas, o que é especialmente importante para a Sibéria, o Extremo Norte, o Ártico e o Extremo Oriente.
Conforme mostrado por cálculos balísticos, quando lançado do cosmódromo de Vostochny, a versão otimizada do Angara-A5V LV com um RB KBTK-V criogênico atualizado fornecerá uma carga útil pesando até 11,9 toneladas em uma órbita de transferência geoestacionária e até 7, 2 toneladas em uma órbita geoestacionária, e também a possibilidade de implementar o estágio inicial do programa lunar tripulado usando um esquema de quatro lançamentos (ver Fig.): Dois lançamentos pareados do LV, fornecendo entrega separada para a órbita lunar do complexo de pouso e decolagem lunar (LPVK) e o veículo de transporte tripulado (PTK) com sua ancoragem em órbita do satélite artificial da Lua (OISL) e posterior pouso do LPVK com uma tripulação na superfície lunar.
Um lançamento de par típico inclui o lançamento de uma carga útil em uma trajetória balística como parte de um PTC ou LPVK e um pequeno rebocador interorbital de oxigênio-querosene (MOB2), criado com base no rebocador "DM" (MOB1), desenvolvido no com base na reserva para RB KVTK. MOB1 com um peso de lançamento de mais de 38 toneladas é lançado de acordo com o esquema com lançamento adicional pelo segundo lançamento do Angara-A5V LV. Depois de atracar na órbita terrestre baixa e passar por fases, a espaçonave interorbital lunar montada é primeiro colocada em uma órbita altamente elíptica devido ao poder do MOB1. Após ficar sem combustível, o hidrogênio MOB1 é separado e o querosene MOB2 completa a formação da trajetória de partida. Além disso, o MOB2 fornece correção de trajetória no vôo para a Lua e transferência da carga útil para a órbita circunlunar. O projeto FKP-2025 prevê o trabalho com os fundos indicados.
Claro, o esquema de multi-lançamento é bastante complicado, requer a mais alta coordenação: a equipe de partida deve trabalhar simultaneamente em dois lançadores, como um relógio. Avaliações técnicas e econômicas preliminares mostram que o uso na fase inicial do programa lunar tripulado de um veículo lançador polivalente de carga útil aumentada de uma classe de 35 toneladas em vez de um veículo de lançamento superpesado especializado de 80 toneladas tornará possível reduzir custos financeiros em mais de uma ordem de magnitude, e os recursos economizados podem ser usados no interesse do desenvolvimento do agrupamento orbital doméstico de espaçonaves, socioeconômicos, científicos e de uso dual.
Quanto ao uso de propulsores de propelente sólido (TTU) como parte do veículo de lançamento, deve-se notar aqui que os motores de foguete de combustível sólido (motores de foguete de propelente sólido), em comparação com os motores de foguete de propelente líquido, têm não apenas vantagens, mas também desvantagens - um impulso de empuxo específico reduzido em ~ 10-30 por cento, o pior peso perfeito do projeto, risco de incêndio e explosão de produção e equipamento de uma carga de combustível, limitação no tempo de operação, controle de tração, condições de temperatura na inicialização, efeitos nocivos dos produtos da combustão no meio ambiente. Além disso, é necessário levar em consideração o custo 30-40 por cento mais alto de um veículo de lançamento com motores de foguete de propelente sólido em comparação com um veículo de lançamento com motores de foguete de propelente líquido e a necessidade de investir fundos significativos no desenvolvimento de produção, tecnológico e instalações de teste para a criação de grandes motores de foguetes de propelente sólido.
O uso de grandes motores de foguete de propelente sólido como parte do veículo de lançamento tem sido repetidamente considerado em projetos domésticos, mas levando em consideração os fatores acima, com base na comparação de alternativas, a escolha foi invariavelmente feita em favor dos motores de propelente líquido. A Rússia é líder no desenvolvimento e produção de motores de foguetes de cruzeiro, que são adquiridos por clientes, incluindo os dos Estados Unidos. No projeto FKP-2025, também está previsto testar a tecnologia para a criação de um propelente sólido de lançamento com um empuxo de cerca de 100 toneladas. A viabilidade do uso de motores de foguete de propelente sólido em veículos lançadores promissores, por exemplo, no mesmo "Phoenix", será determinada posteriormente, com base nos resultados de uma análise detalhada.
Em conclusão: é claro que o projeto FKP-2025 pode continuar a ser aprimorado, porém, em termos de desenvolvimento de veículos lançadores, este documento é bastante equilibrado, reflete o real estado das coisas e determina as perspectivas para o desenvolvimento de este setor da indústria até 2025, levando em consideração as prioridades estabelecidas de atividades espaciais e as oportunidades do estado para o seu financiamento.
