zelenyikot


Открытый космос Зеленого кота

Космос ближе, чем кажется


Previous Entry Share Next Entry
Закат и восход Зенита
zelenyikot


В декабре 2017 года должен состояться последний пуск ракеты “Зенит”, сборки украинского “Южмаша”. Значительная часть комплектующих поставлялась из России и в 2014 году поставки прекратились. Последняя ракета три года хранилась на Байконуре, и на ней история ракеты практически прекращается. Однако, частная космонавтика может дать надежду на возрождение ракеты…


Зенит

Ракета “Зенит” родилась по заказу военных, для которых средний “Союз” (7 т на низкую околоземную орбиту (НОО)) был слабоват, а тяжелый “Протон” (20 т на НОО) избыточен. Так стали создавать промежуточную, максимально автоматизированную ракету, которая выводит 14 т на НОО, и относится к классу средних ракет, хотя и способна выполнять часть задач тяжелых, особенно если ее пускать с экватора.

Новая ракета вобрала в себя опыт создания предыдущих советских ракет: моноблочную конструкцию (без боковых “морковок”), продвинутую даже по современным оценкам цифровую систему управления, автоматическую систему подготовки к пуску, которую пока не достигли даже в SpaceX и Blue Origin. Ракета оборудовалась самым мощным и одним из самых совершенных жидкостных ракетных двигателей в истории — кислород-керосиновым РД-171, тягой до 800 тонн.



“Зенит” был унифицирован с боковыми блоками сверхтяжелой ракеты “Энергия”. Благодаря этому в 90-е удалось сохранить технологии производства двигателей РД-170/171. Напротив, кислород-водородный РД-0120 тягой 150 т, который стоял на центральном блоке “Энергии”, оказался не востребован после прекращения полетов сверхтяжелой ракеты и был безвозвратно утрачен.

Высокие энергетические характеристики “Зенита” и технологичность подготовки к пуску, которые изначально интересовали военных, отлично подошли для коммерческого проекта Sea Launch рожденный в 90-е годы. Тогда постсоветская космонавтика отчаянно выживала без государственного финансирования, и активно переходила на коммерческие зарубежные заказы. Изначально в проекте участвовал промышленный консорциум из России, Украины, США и Норвегии. Идея, за реализацию которой принялись космические и судостроительные гиганты, была красива и элегантна. Участники проекта создавали морскую плавучую платформу, которая позволяла доставлять “Зениты” в Тихий океан у экватора, и запускать оттуда.

В конце 2016 г. между “РКК Энергия” и российской частной компанией “S7 космические транспортные системы” (дочерняя компания авиаперевозчика S7) было подписано соглашение о продаже плавучего космодрома Sea Launch. Стоимость покупки точно не сообщалась, но по словам владельца S7 Владислава Филева, обошлась около $150-160 млн. Сделка еще не закрыта, поскольку Государственный департамент США пока не дал разрешение о переводе судов, на которых есть американские технологии, на нового собственника.

Sea Launch

Проект Sea Launch (“Морской старт”) был последним отголоском романтической зари космонавтики, когда прорабатывались различные оригинальные варианты облегчения доступа в космос: воздушные старты, шаттлы, взрыволеты, и прочая экзотика раздавленная простотой обычных ракет.

Пуск с экватора позволяет сэкономить значительную массу, если запускать на геопереходную орбиту. Эта орбита необходима для достижения геостационарной орбиты в плоскости экватора. Эта орбита востребована для телекоммуникационных коммерческих задач, которые приносят наибольшие доходы в космосе. Геостационарный спутник летает на расстоянии около 36000 км, и совершает оборот вокруг Земли за 24 часа. Двигаясь в плоскости экватора спутник как бы зависает над Землей за счет равной угловой скорости с поверхностью. Заняв “точку стояния” спутник может обозревать планету с одного ракурса или работать как ретранслятор и антенна ТВ-вещания.

130921-600

Для запуска на геостационарную орбиту наиболее выгодно иметь космодром на экваторе. Чем дальше от экватора пуск, тем больше топлива верхней ступени ракеты уйдет на изменение плоскости орбиты. А любая тонна верхней ступени ракеты оборачивается десятками тонн нижней. Поэтому 700-тонный “Протон” при стандартной схеме полета с Байконура выводит на геопереходную 6,4 тонн полезного груза (прямым выведением на ГСО - 3,2 тонны), а 460-тонный “Зенит” с экватора — 6,3 тонны (прямым выведением на ГСО - 2,8 тонны).

Небольшую прибавку скорости при пуске с экватора добавляет еще вращение Земли, за счет большего углового момента. По сравнению с Байконуром разница всего 130 м/с м/с, т.е. на экваторе выигрыш незначительный, напомню: для выхода на орбиту требуется около 7900 м/с. Еще океанский запуск выгоднее байконурского т.к. не нужно заботиться об отработанных ступенях. Они просто падают в воду, тогда как у Байконура их надо собирать в казахской степи и утилизировать.

Теория и практика ракетных пусков

В общем, энергетические перспективы Sea Launch выглядели неплохо, но с экономическими не заладилось. Хотя цена в начале 2000-х была довольно привлекательной для клиентов: почти в 2-2,5 раза дешевле европейского Ariane-5 (хотя он запускал в два раза больше), или в 1,5 меньше аналогичного Ariane-4. С 1999 по 2014 год совершено 36 полетов “Зенита”, максимальная частота в год достигала 6 пусков.

В те же годы “Протоны” совершали 10-12 пусков в год, всего же в год осуществлялось в среднем 20 коммерческих пусков всеми операторами, и большинство на геостационарную орбиту. Спрос не возрастал и был цикличным, а серьезной доли рынка отвоевать проекту Sea Launch не удавалось. К тому же надежность “Зенита” подкачала — из 36 пусков 3 аварии. Предполагалось, что за каждый выход в море будет запускаться несколько ракет с плавучей платформы, но такого не происходило никогда — всегда катались из-за одной.



Sea Launch обанкротился в 2009 году. К тому времени веру в него прежние участники утратили, и на плаву в прямом и переносном смысле проект держался только благодаря российской “РКК Энергия”. Ей почти в полное владение перешел космодром, но вместе с украинским “Южмашем” она была должна американскому Boeing около более $300 млн, и платила за стоянку в порту на Калифорнийском побережье. После заинтересованности в проекте компании S7 решить вопрос с долгами “РКК Энергии” удалось благодаря нетривиальной бартерной схеме — Boeing получил пилотируемые места в российских космических кораблях “Союз”, которые перепродал NASA.

Конец Зенита

Стремительный выход на коммерческий рынок SpaceX с дешевой ракетой Falcon-9 и российско-украинское обострение в 2014 году прекратило всякое сотрудничество в производстве ракет. В “Зените” больше половины комплектующих из России: двигатели РД-171, система управления, разгонные блоки. Заменить их украинский “Южмаш” не в состоянии. Но без “Зенитов” и рекордные двигатели РД-171 остаются без работы, и прекращение их производства чревато утратой технологий.

Но что сейчас запускать с плавучего космодрома, если ракеты не производятся, и никаких надежд на возобновление российско-украинского сотрудничества нет?

В 2015 году, после успешного испытания модульной ракеты “Ангара”, поговаривали, что можно приспособить ее среднюю модификацию А3 под морской пуск. Но стоимость переделки платформы была слишком высока — “Ангара А3” состояла из трех блоков, и не подошла бы для стартового стола, рассчитанного на моноблочный “Зенит”. Использовать же легкую моноблочную “Ангару А1” невыгодно — слишком слабая для серьезных геостационарных заказов. Та же проблема была и с прочими российскими кислород-керосиновыми ракетами. Кстати, американские Falсon 9 или Atlas 5 встали бы намного проще.

2016 году “РКК Энергия” взялась за разработку новой ракеты “Союз-5” (“Феникс”, “Сункар”), которая должна стать конкурентом Falcon 9 и, по сути является модернизированной и полностью российской копией “Зенита” на базе двигателей РД-171. Новую ракету обещают сделать за 5 лет. Даже если уложатся в срок (во что с трудом верится, если честно), перед коммерческим использованием потребуется несколько испытательных пусков, на которые уйдут года два времени. Все это время космодром будет бездействовать и нести убытки, которые придется компенсировать поднимая цену на будущие ракеты. По некоторым данным, эксплуатационные расходы Sea Launch составляют $30 млн в год (возможно так было до массовых увольнений), и за 7 лет они превысят первоначальные расходы в $160 млн., без учета инвестиций в развитие проекта.



Куда и на чем лететь из Тихого океана?

Тем временем, конкуренция на международном рынке запусков сейчас еще острее чем десять лет назад благодаря SpaceX и их ракетам на ножках. А на подходе еще индийцы и Blue Origin от создателя Amazon.com. Только Китай пока отгорожен от мирового космического ракетного рынка санкциями США, но ищет выход из блокады, и рассматривает вариант собственного морского космодрома. Рынок геостационарных спутников всё тот же — менее 20 пусков в год, и заметна тенденция на снижение этого числа.

Весной 2017 года свершилось ожидаемое, но все равно внезапное событие — S7 подписала с “Южмашем” соглашение о возобновлении производства “Зенита”. Со стороны выглядело всё неплохо: S7 мог бы приобретать двигатели и прочие комплектующие у российского “Энергомаша”, и строить себе ракеты на “Южмаше”. Т.е. российский частник выступил бы как посредник деполитизирующий производство ракет.

Ответ Роскосмоса был стремителен и однозначен — никаких ракетных двигателей Украина не получит! Вероятно, основатель S7 Владислав Филев надеялся на другой ответ, но Роскосмос оказался тут заложником политической ситуации, и ничего иного ответить не мог. Слишком резонансно прозвучала новость в российских СМИ о возрождении украинского “Зенита”.

"Российская частная ракета"

Полгода в S7 хранили молчание, но время не потратили зря. Решение было найдено, не менее нетривиальное, чем с долгами Boeing. Теперь Роскосмос останется верен слову, и никаких комплектующих к “Зениту” Украина не получит. Но “Южмаш”-таки возобновит производство своей части ракеты. Изменится только процесс окончательной сборки. Теперь “Зениты” будут производиться… в США, что неожиданно для советской ракеты.

Платформа Sea Launch исторически базируется в порту Лос-Анджелеса, там же где и штаб-квартира компании. С самого старта международного проекта, “Зениты” собирались в Калифорнии, а доставлялись частями: две ракетные ступени из Украины, разгонный блок из России, обтекатель из США, как и большинство спутников. Ракета собиралась на корабле перед выходом платформы в море.



Теперь там же или в дополнительном ангаре придется проводить не только окончательный, но и промежуточный этап сборки ракеты: ракетный двигатель и систему управления объединять с украинскими ступенями.

Фактически, S7 тут заимствует опыт американской компании Orbital ATK, которая точно так же покупает ракетные двигатели в России, корпус ракеты и баки — в Украине, и собирает на космодроме Wallops американскую частную ракету Antares.



То есть из оператора ракет S7 фактически становится производителем. Российская частная ракета, производимая в США из украинских и российских деталей — торжество глобализации.

Не раскрывается насколько такое усложнение повлияет на стоимость пуска нового “Зенита”, но ему придется равных конкурировать не только с американским с Falcon 9 ценой $62 млн, но и российским “Протоном” ценой $65 млн. И возможно дальнейшее снижение цены у конкурентов до $45 млн в многоразовом варианте Falcon 9, и облегченном варианте “Протон Средний”. Представители S7 озвучивали цену в $65-76 млн. за “Зенит”, а еще раньше представители “РКК Энергия” сообщали, что проекту требуется не менее 4-х пусков в год для выхода на окупаемость.

Получится ли найти заказчиков и выйти на окупаемость Sea Launch при помощи “Зенитов” в таких условиях?

Новая надежда

Помочь S7 может расширение ракетных рынков и появление новых заказов, которые можно было бы перехватить у конкурентов. Например компаниям OneWeb, Telesat, Leosat и Boeing в случае успешной реализации своих проектов потребуются запуски нескольких тысяч спутников для интернет-вещания на низкие орбиты, хотя для них экватор никакой выгоды не даст. Вероятно S7 питает надежды на революцию в микроспутниковом производстве и существенное увеличение спроса на запуски, а также на заказы со стороны Роскосмоса, что при нынешней политической ситуации выглядит мягко скажем утопично, в отношении “Зенитов”.

Одним из средств повышения спроса на ракеты должен стать другой проект компании "S7 Космические транспортные системы" — т.н. “орбитальный космодром”. О подробностях проекта представители компании не распространяются, но можно предполагать, что речь идет о пилотируемой станции, выполняющей коммерческие заказы по запуску и обслуживанию космических аппаратов. Хотя экономические преимущества предполагаемого космического космодрома еще менее очевидны чем морского.

Владислав Филев еще до входа в космический бизнес показал себя достаточно расчетливым и талантливым бизнесменом. Решение вопроса с возобновлением производства “Зенита” показывает, что он и в ракетной теме осваивается, и, судя по всему, является ее искренним энтузиастом. Если всё пойдет хорошо, через несколько лет воскрешенные зеленые “Зениты” нарушат тишину Тихого океана, и нас ждет захватывающая конкуренция нескольких талантливых предпринимателей-ракетостроителей: Джеффа Безоса, Илона Маска и Владислава Филева.



У всех за спиной богатый бизнес-опыт и мощный производственный потенциал своих стран. Это даже не конкуренция России и США, а старая добрая космическая гонка СССР VS США. Должно быть интересно! Если всё пойдет хорошо...

Подготовлено для Forbes.ru
Публикуется в авторской редакции.


zelenyikot

Чтобы не пропускать новые посты, подпишитесь на мои страницы
в ЖЖ
Facebook
Вконтакте
Twitter.


Subscribe to  zelenyikot

promo zelenyikot june 20, 08:50 201
Buy for 800 tokens
Закончился важный период в моей жизни, связанный с частной космической компанией Dauria Aerospace. С апреля 2013 года я там работал специалистом по связям с общественностью. Мы ездили на Байконур на запуск нашего спутника, проводили пресс-конференции, организовывали встречи с журналистами,…

  • 1
Почему вам так не нравится горизонтальный старт?
Ведь он позволяет обойтись без дорогостоящих стартовых сооружений. Я понимаю, что трехкилометровые полосы с твердым покрытием вообще-то не дешевле, но их по всему миру уже дохрена понастроили.

А еще горизонтальный старт возможен с воды, см разработки сверхзсвуковых бобардировщиков Бартини и Мясищева. Безо всяких платформ.

>> Почему вам так не нравится горизонтальный старт?

Потому, что это седло на корове.

>> Ведь он позволяет обойтись без дорогостоящих стартовых сооружений. Я понимаю, что трехкилометровые полосы с твердым покрытием вообще-то не дешевле, но их по всему миру уже дохрена понастроили.

Вот первая ошибка в анализе - "до хрена по всему миру" не означает пригодность для данной задачи.
Напомню, что для Шаттла,а так же и Бурана существовало всего по две-три полосы, которые возможно было использовать для посадки.
Причём, подготовка и содержание этих полос обходилось в значительную долю бюджета всего проекта.

Но главная причина в том, толпа хронически неверно понимает физическую суть проблемы - отложим пока анализ старта и возьмём за критическую точку динамику движения (разгона) в атмосфере.
В начале ракетной эры крылатый носитель рассматривался, как единственная возможность применения ВРД - двигатели той эпохи имели крайне низкую тягу и обеспечивали тяговооружённость существенно меньше единицы.
Оставалась единственная возможность поддержать аппарат в полёте - это использовать крыло, подъёмная сила в несколько раз превышает лобовое сопротивление: таким образом двигатели с малой тягой способны обеспечивать разгон в диапазоне до ~1000 м/с.
Питание атмосферным кислородом снижает его запас на борту и уменьшает общий вес.

Но возникает критическая проблема - проблема отрыва от поверхности!
На малых скоростях требуется огромное крыло - которое после отрыва тут же становится обузой, поскольку с увеличением скорости требуется крыло совершенно другого типа: с небольшой площадью и тонким сверхзвуковым профилем.

Налицо противоречие: требуется огромное толстое крыло - крыло должно быть маленьким и тонким.

Вторая проблема.
Вертикально стартующая ракета испытвает в основном продольные перегрузки - и потому тонкая "игла" вполне обеспечивает нужную прочность, имея минимальный вес конструкции.
Если любую существующую ракету наклонить - она сломается. Даже без заправки!
Отечественные ракеты, вывозимые на старт горизонтально, при перевозке и вертикализации поддерживаются транспортным ложементом.
Зарубежные ракеты вывозятся на старт вертикально.
Более того - там и спутники не расчитаны на боковую нагрузку: на Куру семёрку везут горизонтально, а спутник к ней цепляют прямо на старте! Для чего пришлось построить старт, совмещённый с МИКом.

Воздушный старт самолётного типа потребует переупрочнения, как конструкции ракеты, так и конструкции самолёта.
Отдельно следует вспомнить про шасси - оно должно держать скорость в несколько сотен км/ч при огромной нагрузке (несколько сотен тонн - для сравнения нужно взглянуть на карьерные самосвалы, самые крупные из которых возят нагрузки на уровне самых маленьких ракет).

Такие вот чисто конструктивные проблемы приносит популярная идея горизонтального (самолётного) старта.

Теперь смотрим на вертикальный старт.
Единственное препятствие - это большая потребная тяга в момент отрыва от стартового стола.

Что характерно - эволюция авиационных двигателей привела к появления серийных агрегатов с единичной тягой в 50 тонн. И она будет расти и дальше.


Нет, большая потребная тяга - это не единственная проблема вертикального старта.
Там есть еще проблема разрушения стартовой площадки раскаленными газами и повреждения ракеты как этими же самыми газами, отраженными от площадки, так и обломками площадки поднятыми потоком газов.

Поэтому на космодромах строятся дорогостоящие стартовые сооружения с газоотводными лотками. А баллистические ракеты запускаемые с подводных лодок, сначала выстреливаются из шахты сжатым воздухом, и только потом включают двигатель.


Такой проблемы нет - ничего не разрушается: холодная струя ТРД - это не плазма из ЖРД.
Достаточно элементарных решёток в зоне сопел - мощные газоотводы, как на ЖРД не нужны.

ХИНТ: я во времена оны поработал и по палубной тематике, и по тематике стендовых испытаний ГТД - и немножко в курсе того, что там и как...

(продолжение)

ИТОГО: связка из 4...8 авиационных двигателей обеспечивает тягу 200...400 тонн - что совершенно достаточно для отрыва от стартового стола РН вплоть до среднего класса. Ведь можно на момент отрыва добавить и тягу ЖРД, которые после отрыва задросселировать и разогнать систему до достаточно приличных скоростей - не имея обременения ни крылом, ни шасси, ни переупрочнённой конструкцией: ВРД работают, как бустеры - в привычном для ракетчиков режимах.

ХИНТ: имея на борту запас окислителя, можно тот же серийный ТРД эксплуатировать на высотах до 30...40 км - всё равно удельный импульс ВРД с прямой кислородной подпиткой будет выше чистого ЖРД.
Собственно, критерий высотности - это именно равенство удельных импульсов ВРД и ЖРД.

Для самолёта-разгонщика с его обременённостью и крылом, и шасси, и конструкцией всё это выглядит несусветно - а вот двигатели-бустера сколько угодно пожалуйста.

ХИНТ: сажать те же связки на тяге ВРД - не проблема.
И полоса не нужна - только небольшая площадка в близости от МИКа...

И, главное, все бонусы от применения ВРД такая система утилизирует на 100%. То есть, недостатков нет, а преимуществ - море.

Граничное условие только одно - наличие ГТД с высокой единичной тягой...

>> А еще горизонтальный старт возможен с воды, см разработки сверхзсвуковых бобардировщиков Бартини и Мясищева. Безо всяких платформ.

Ну, положим, всё равно надо где-то обслуживать и заправлять - какая-то база в точке старта должна быть.


Спасибо за объяснения. Вы меня убедили, что при использовании ВРД вертикальный взлет и посадка лучше горизонтального.

А что касается необходимости "какой-то базы" в точке старта, то комплекс "Морской Старт" состоит из стартовой платформы и корабля обеспечения, который и является той самой "какой-то базой". Этаким подвижным МИК-ом. И в момент старта отходит от платформы на безопасное расстояние.

Если бы космический аппарат взлетал с воды как гидросамолет, то ему бы для обслуживания хватило такого корабля.

А вот с вертикальным стартом с воды и посадкой на нее трудности. Попадание воды в горячие двигатели приводит к слишком жестким температурным скачкам. При горизонтальном взлете/посадке двигатели отдельно, вода отдельно. А организовать это при вертикальном - несколько сложнее.

Вроде вертикальную и старт и посадку на воду уже освоили.

А старт после такой посадки?

Я не против экраноплана - но это совсем другая история.

Подчеркну, что именно экраноплан - который по определению не претендует на ПОЛЁТ.

ЭП - это первая ступень, которая сбрасывается максимально рано, обеспечив всего лишь скорость (но не высоту), при которой несущее крыло для следующей воздушной ступени может быть уменьшено достаточно существенно и с которым можно лететь на сверхзвук.

Кроме того, режим экрана обеспечивает более высокую подъёмную силу на малых скоростях - что правильно в отношении стартового прыжка.

Ещё один аспект - это избыточность мощности двигательной установки, необходимая для поддува подушки. В транспортном варианте ЭП лишние двигатели отключают - и они превращаются в обременение.
В нашем случае их отключать не надо - и разогнать ими до максимальной высоты и скорости: да, с точки зрения экономичности полёта это не айс, но имея в качестве точки отсчёта удельные параметры ЖРД, мы с хорошим запасом остаёмся в плюсе

В общем, это ДРУГОЙ проект - с иными физическими соотношениями и с иными конструктивными проблемами.
И есть вероятность, что такой проект - не тупиковый. В отличие от наземного горизонтального старта.

ХИНТ: развитием проекта стартовых бустеров на ВРД является проект "космических санок", про который я писал не раз. Найдите их у меня в блоге - там расписана полностью многоразовая двухступенчатая система, принципиально изменяющая процедуру доступа в космос.
Базируется она на вертикальном взлёте с использованием ВРД, а так же ракетно-прямоточных двигателей, позволяющих при ЖРД-простоте иметь улучшение удельного импульса за счёт атмосферного кислорода...

Вот как раз в перспективы экранопланов я не верю совсем. Воздушные подушки - хороши для высадки десантов на необорудованный берег, а космические запуски тут ни при чем.

Водоизмещающие баржи и полупогруженные платформы в качестве посадочных и стартовых платформ - может быть. Благо, это уже есть и работает.

Интересным решением для низкоорбитальных микро спутников могла бы быть адаптация какой-нибудь наземной самоходной пусковой.

То есть как-то уходить от космодромов, которые строятся десятилетиями, а потом становятся заложниками политических рисков - надо. Но морской старт, похоже не самым удачным вариантом получился.



В KSP это работает!

Что такок КСП.
И что именно работает?

=ИТОГО: связка из 4...8 авиационных двигателей обеспечивает тягу 200...400 тонн=

А они эту тягу сразу с места обеспечивают, без набегающего потока воздуха?

Обычно принято указывать именно статическую тягу на стенде - при нулевой скорости.
Тяга сложным образом зависит от высоты и скорости и может существенно отличаться от стендовой - но в целом это определяет искусство проектирования газовоздушных трактов: например, на Е-152 при статической форсажной тяге порядка десяти тонн, применение эжекторного сопла давало тягу в стратосфере на максимальной скорости более 17 тонн...

Спасибо, даже не думал, что оно так.

  • 1
?

Log in

No account? Create an account