Простым сверхлегким ракетам что-то не везет
В последние годы формируется новый класс ракет-носителей — сверхлегкие, очень простые и стартующие с рельсовых направляющих. И им что-то не везет — в конце 2015 года аварией закончился первый пуск американской РН Super Strypi, а 14 января этого года неудачно прошел запуск переделанной из геофизической в космическую японской ракеты SS-520–4. Будущее обоих проектов туманно, а жаль — там используются интересные технические решения, и такой тип ракет-носителей теоретически может найти свою нишу.
Пуск 14 января
Изначально ракету хотели запустить 10 января, но старт перенесли из-за плохой погоды — скорость ветра превысила максимально допустимые значения. 14 января, ясным утром в 8:33 местного времени ракета красиво стартовала с направляющей.
В первые минуты информация была противоречивой — некоторые новостные агентства сообщали об удачном пуске, некоторые писали про потерю телеметрии. Но довольно быстро ситуация разьяснилась — телеметрия с ракеты пропала на 20 секунде, а без нее наземный ЦУП не дал команды на запуск двигателя второй ступени. Поднявшись на 200 км, ракета-носитель с полезной нагрузкой упала в Тихий океан.
Конструкция, циклограмма и полезная нагрузка
Ракета-носитель SS-520–4 является модификацией ракеты SS-520 из целого S-семейства японских геофизических ракет.
Фото: Wikipedia
Геофизическая S-520 способна поднять до 100 кг груза на высоту до 300 км и обеспечить не менее пяти минут невесомости для полезной нагрузки. Впервые она была запущена в 1980 году и последний раз стартовала в 2015. Добавив к S-520 вторую ступень, японское космическое агентство получило SS-520, которая уже могла поднять 140 кг до высоты в 1000 км. В этом варианте ракета успешно стартовала в 1998 году с космодрома Утиноура (также называется Кагосима по имени префектуры, где расположен) и в 2000 с полигона Свальбард в Норвегии. SS-520–4 — это, фактически, обозначение номера пуска, а не отдельного типа ракеты-носителя (чтобы было еще смешнее, суборбитальный пуск SS-520–3 еще не состоялся), но в этот раз на ракету поставили три ступени и сбрасываемый блок ориентации.
Фото: JAXA
Циклограмма выведения у ракеты-носителя была запланирована весьма необычной.
Первая ступень S-520, диаметром 0,52 м и длиной 6,1 метра, развивает среднюю тягу 14,6 тонн. При полной массе ракеты в 2,6 тонны начальное ускорение составило 5,6 «же», и оно только увеличивалось по мере выработки топлива и облегчения ракеты. Двигатель первой ступени работал 31 секунду, тратил 1587 кг твердого топлива, за это время разгонял ракету до 2 км/с и успевал поднять на высоту 26 км. При этом у первой ступени не было своей системы управления, она наводилась поворотно-подъемной рампой стартового устройства и в полете раскручивалась хвостовыми стабилизаторами, используя вращение для стабилизации полета.
На 67 секунде полета и высоте 81 км должен был сброситься головной обтекатель. Еще спустя секунду — отделиться первая ступень. Начиная с 79 секунды (высота 97 км) планировалось включение системы ориентации на сжатом газе. Питаясь от 5,7-литрового бака со сжатым азотом, импульсные газовые двигатели сначала вводили вторую и третью ступень в прецессию, и, через нее, должны были повернуть связку в горизонтальное положение. На 107 секунде блок ориентации по плану завершал работу и сбрасывался сорок секунд спустя.
На 157 секунде наземный ЦУП должен был вручную решить, дать ли команду на дальнейшее выведение. Если бы все прошло хорошо, эта команду должны были отправить на 164 секунде. На 180 секунде, когда скорость ракеты успела бы снизиться до километра в секунду, а высота — вырасти до 179 км, включился бы двигатель второй ступени. Вторая ступень длиной 1,7 метра с 325 кг топлива должна была за 24,4 секунды разогнать ракету до 3,6 км/с. На 235 секунде она бы сбросилась, и, спустя 3 секунды, должна была включиться третья ступень (длина 0,8 м, 78 кг твердого топлива на борту), которая бы разогнала полезную нагрузку до 8,1 км/с. В результате спутник массой 3 кг должен был выйти на орбиту 180×1500 км всего за четыре с небольшим минуты, хотя обычные ракеты выводят спутники примерно десять минут. При этом вторая и третья ступень не имели полноценной системы управления, стабилизировались вращением, а третья ступень даже не имела полноценных телеметрических каналов — на ней поставили небольшой модуль GPS, который через спутники связи Iridium должен был сообщить данные о высоте и скорости.
Профиль выведения тоже получался необычным — старт происходил круто к горизонту, а затем уже полезная нагрузка двигалась бы практически горизонтально.
Ракета-носитель имела начальную массу 2,6 тонны, что делает ее одной из самых легких космических ракет-носителей в истории космонавтики. Для сравнения, Super Strypi весила 28 тонн.
Полезной нагрузкой был кубсат формата 3U TRICOM-1 с шестью камерами для наблюдения Земли.
Фото: JAXA
Туманное будущее
Несмотря на простоту используемых технологий, на SS-520–4 Япония потратила $3,5 миллиона. Ожидалось, что последующие пуски будут дешевле, но пока неизвестно, будет ли развиваться программа SS-520, и если да, то как. Для сравнения, на Super Strypi потратили $45 миллионов с 2007 года, и, по состоянию на 2016 год, проект висит в воздухе — он не закрыт окончательно, но денег на новые ракеты не выделяют, и неизвестно, выделят ли.
Тем не менее, у самого принципа сверхлегкой ракеты-носителя для выведения наноспутников вполне может быть потенциал. Первые кубсаты были запущены в 2003, за последние годы было выведено больше трех сотен кубсатов разных форматов, и в манифесте только на 2017 год их содержится уже в районе двух сотен. Из студенческих и экспериментальных аппаратов наноспутники уверенно переходят на уровень прикладных. Как правило, сейчас их запускают попутной нагрузкой с «обычным» спутником или большими группами, а рыночная стоимость выведения оценивается в $250 тысяч за кубсат формата 3U (3 блока 10×10х11.35 см). Теоретически, за возможность быстрого выведения своего кубсата на отдельную орбиту заказчик может заплатить и больше. Именно здесь может найтись ниша простым ракетам-носителям, которые:
- Используют твердое топливо, с которым проще и дешевле обращаться.
- Минимизируют количество электроники — стартуют с рампы, стабилизируются вращением и вообще не используют системы управления на некоторых ступенях.
- Уменьшают косвенные расходы за счет сокращения обслуживающего персонала, уменьшения в размерах и упрощения обслуживания.
Если найдется фирма, которая сможет перебороть проблемы, порождаемые этими техническими решениями (например, у Super Strypi двигатель первой ступени банально не выдержал вращения), переживет первые неудачи и сможет снизить цену запуска, то такие сверхлегкие ракеты-носители вполне смогут стать популярными на растущем рынке наноспутников.
