AN OVERVIEW OF THE DESIGN PROCESS FOR A MULTI-USE LAUNCH VEHICLE

Review article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.127.36
Issue: № 1 (127), 2023
Suggested:
15.11.2022
Accepted:
21.12.2022
Published:
24.01.2023
79
0
XML PDF

Abstract

The article reviews the foundation of the Ural Interregional Scientific and Educational Center, its funding from the state and private partner-investors, as well as its central project on the development of an engine for a multiuse launch vehicle. The main achievements to date in the development of the demonstrator – a reduced shape aircraft designed and built specifically to reproduce the behaviour of a real multiuse rocket – are reviewed. The results of the most recent demonstrator tests, which took place in October 2022, are presented. A comparative analysis of the cost of launches of various vehicles with and without the possibility of re-launch was carried out. Conclusions are made about the rationality of the development of this project.

1. Введение

В настоящее время в России ведется множество опытно-конструкторских работ по разработке и усовершенствованию ракет-носителей (РН) космического назначения. Речь идет о таких РН, как «Союз-2» и его модификациях, «Союз-5», «Ангара» в легкой и тяжелой версиях, а также «одноступенчатая ракета», которая занимает в данном списке особое место, так как данная ракета-носитель предполагает многоразовое использование, что ведет к высокой экономической эффективности и увеличению доступности запусков.

Разработка данной РН была начата еще в 1992 г. и велась до 2012 г., но работы были свернуты ввиду отсутствия финансирования. «Новую жизнь» данный проект получил во время проведения международной выставки «Иннопром-2019» главами трёх регионов было подписано соглашение о создании Уральского межрегионального научно-образовательного центра (УМНОЦ) на базе Южно-Уральского, Уральского и Курганского университетов. Идея создания научно-образовательного центра (НОЦ) была поддержана в 2019 году президентом В.В. Путиным во время визита в УрФУ. На данный момент в межрегиональный центр входят 73 участника – из них 9 вузов, 10 научных организаций и 54 индустриальных партнера, более того, с каждым годом это число растет.

В 2020 году в реализацию проектов было инвестировано порядка 3-х миллиардов рублей: 2,29 миллиарда было инвестировано из внебюджетных источников, 292 миллиона получено из казны Российской Федерации, 121 миллион из бюджета регионов. На непосредственно реализацию ведущих разработок Свердловской и Челябинской областей были выделены суммарно 170 миллионов рублей

.

УМНОЦ «Передовые производственные технологии и материалы» работал сразу над несколькими проектами, но главным из них является разработка двигателя (демонстратора) для полноразмерной многоразовой ракеты-носителя. Стоит отметить, что идею по созданию многоразового космического аппарата продвигали в ГРЦ им. В. П. Макеева, ими и положено начало создания проекта, но, к сожалению, он был заморожен

. В 2020 году, благодаря созданию НОЦ была начата работа по созданию демонстратора для многоразовой ракеты.

Главными задачами центра являются подготовка специалистов с необходимым уровнем не только теоретических, но и практических знаний для дальнейшей реализации проектов по различным направлениям, а также создание эффективных технологий, способных обеспечить конкурентоспособность и независимость отечественной научно‑технологической отрасли.

2. Первые успехи

В марте 2021 года был проведён запуск нового ракетного двигателя, управление процессом запуска обеспечивала система видеонаблюдения, с её же помощью велось и управление узлами комплекса и отладка режимов работы в реальном времени

.

Предполагается, что при успешном прохождении всех испытаний, шестнадцать таких жидкостных ракетных двигателей будут установлены в центральном теле одноступенчатой ракеты-носителя. Стоит отметить, что проект под названием «Исследование, разработка и создание демонстраторов двигательной установки в центральным телом, системы управления контроля с искусственным интеллектом ракетно-космического комплекса с полностью многоразовой одноступенчатой ракетой-носителем и универсальной космической платформой» является визитной карточкой научно-образовательного центра.

В июле 2022 года на международной промышленной выставке «Иннопром-2022» в г. Екатеринбурге учёными Южно-Уральского государственного университета был представлен демонстратор жидкостного реактивного двигателя (рис.1)

, который предназначается для ракетно-космического комплекса многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя.

Демонстратор жидкостного реактивного двигателя

Рисунок 1 - Демонстратор жидкостного реактивного двигателя

Основной задачей является разработка и испытание различных вариантов двигательной установки для снижения рисков при переходе на полномасштабную ракету-носитель.

7 октября в г. Нижняя Салда были успешно проведены испытания демонстратора нового ракетного двигателя для полностью возвращаемой одноступенчатой ракеты-носителя. Испытания двигательной установки были проведены на новой топливной паре – кислород-водород, годом ранее испытания были проведены на топливной паре спирт-кислород. Использование пары кислород-водород обеспечивает максимальную энергетическую характеристику, то есть наилучшее отношение показателя массы выводимой полезной нагрузки к массе затраченного топлива, для многоразовой ракеты, тем не менее это очень взрывоопасная смесь. Стоит отметить, что центральное тело теперь с охлаждением

. Работа также продолжается и над созданием конструкции топливного бака, его усовершенствованная стенка для жидкого азота должна соответствовать всем предъявляемым требованиям. Необходимо учесть и возможный процесс изготовления стенки бака большой (реальной) космической ракеты для корректного функционирования в условиях космоса (удержание заданной температуры).

Во время испытаний был осуществлен подъем и спуск платформы, на которой были расположены элементы системы управления полетом и посадкой. При этом испытывалось разное расположение двигателей для дальнейшего моделирования движения ракеты-носителя на высоту 100 километров. Главной целью данных испытаний является определение возможности стартовать при вертикальном расположении двигателей, а также способности двигателя по мере опустошения топлива в баках автоматически подбирать необходимый уровень тяги.

Предполагается, что данный ракетно-космический комплекс сможет обеспечивать полное возвращение РН и последующее ее множественное использование. Это значит, что после полёта в космос ракета будет опускаться по установленным на Земле координатам и будет пригодной для повторного использования после проведения технической подготовки

,
.

В таблице 1 представлен сравнительный анализ стоимости запуска различных ракет и отечественной многоразовой ракеты-носителя [3]. Для сравнения были взяты цены запусков современных одноразовых РН – «Союз-2», «Протон-М», а также многоразовых РН – «Falcon 9», широко используемых для запусков различных полезных нагрузок. После чего на основе данных о массе полезной нагрузки, рассчитана стоимость запуска одного килограмма груза.

Таблица 1 - Сравнительный анализ стоимости запуска ракет

Наименование ракеты

Стоимость запуска (млн $)

Масса полезной нагрузки

новый

повторный

Низкая опорная орбита

Геопереходная орбита

Falcon 9

67

~50

До 16 000 кг (цена за кг $3 125)

До 5 500 кг (цена за кг $9100)

Союз-2

50

невозможен

До 8 700 кг (цена за кг $5 750)

До 2 000 кг (цена за кг $25000)

Протон-М

75

невозможен

До 23 700 кг (цена за кг $3164)

До 6 300 кг (цена за кг $11900)

Отечественная многоразовая РН

≈33

16

До 12 000 кг (цена за кг $1333)

До 7 000 кг (цена за кг $2285)

Исходя из данных, представленных в таблице 1, можно сделать вывод, что построение отечественной многоразовой ракеты-носителя дешевле в полтора – два с половиной раза, стоимость повторного запуска относительно ракеты «Falcon 9» – в три раза дешевле. Стоимость массы полезной нагрузки составляет ориентировочно $1333 за килограмм на низкой опорной орбите при выводе до 12000 кг и $2285 за килограмм на геопереходной орбите при выводе до 7000 кг. Ближайшими конкурентами по цене являются «Falcon 9» и «Протон-М» с ценами за килограмм на низкой опорной орбите $3125 до 16 000 кг и $3164 до 23 700 кг соответственно, на геопереходной орбите цена за килограмм составляет $9100 до 5 500 кг и $11900 до 6 300 кг соответственно.

3. Заключение

Можно сделать вывод, что разработка реальной полномасштабной модели ракеты-носителя является оправданным вложением и ни в чём не уступает превосходствующим в мире на данный момент космическим аппаратам. Анализ существующих предложений на рынке ракетно-космической техники показывает большие экономические преимущества проекта многоразовой РН, что также говорит о необходимости продолжения разработок в этом направлении.

Имеющиеся на данный момент наработки по функционированию двигательной установки с использованием топливной пары кислород-водород и устройству центрального охлаждаемого тела являются прорывными, об этом можно судить по отсутствию публикаций в научном сообществе на эту тему. В будущем предполагается учёт такого немаловажного аспекта, как экологичность топлива. При успешном прохождении всех этапов испытаний на демонстраторе, при сотрудничестве с «ГРЦ Макеева», планируется создание полномасштабной многоразовой ракеты-носителя.

Article metrics

Views:79
Downloads:0
Views
Total:
Views:79