Что такое разгонный блок
Разгонные блоки ракет-носителей
Заказать бра eichholtz www.in-salon.ru.
Важнейшей составной частью системы средств выведения являются разгонные блоки (РБ), называемые также межорбитальными буксирами. Разгонные блоки обеспечивают перемещение выводимых полезных грузов с орбиты на орбиту или направление их на отлетные и межпланетные траектории. Для этого РБ должны иметь возможность выполнять один или несколько маневров, связанных с изменением скорости полета, для чего в каждом случае предполагается включение маршевого двигателя. Между этими включениями следуют продолжительные (до нескольких часов) участки пассивного полета по переходным орбитам или траекториям. Таким образом, любой РБ должен иметь маршевый двигатель многократного включения, а также дополнительную реактивную систему или двигательную установку, обеспечивающую ориентацию и стабилизацию движения РБ с КА и создание условий для запуска маршевого двигателя. При этом управление работой его двигателей может осуществляться как от системы управления КА,так и от автономной системы управления самого РБ. В последнем случае он должен иметь специальный приборный отсек для ее размещения.
Разгонный блок «ДМ» предназначен для применения на РН «Протон-К»,»Протон-М» и «Зенит-3». В 1974 г. прошел первые летные испытания для запуска КА на геостационарную орбиту разгонный блок «Д», созданный в конце 1960-х гг. для лунной экспедиции. В последующем он был модернизирован, и с 1976 г. для запуска КА на ГСО используется его модификация — блок «ДМ».
При выведении КА на ГСО РН может работать по двух- или трехимпульсной схеме. При этом в зависимости от долготы стояния КА на ГСО меняются время нахождения РБ на промежуточных орбитах и соответственно общее время полета, которое может составлять от 7 до 21 ч. Во время полета РБ может функционировать или полностью в автономном режиме, или управляться по радио-каналам с Земли.
Двигатель разгонного блока ЖРД РД-58М многократного запуска с турбонасосной системой подачи выполнен по схеме с дожиганием окислительного газа. Работает на компонентах топлива: окислитель — жидкий кислород, горючее — керосин (РГ-1). Двигатель закреплен в карданном подвесе на внутреннем ярусе двухъярусной фермы. Такая установка двигателя позволяет производить управление по каналам тангажа и рыскания. Для управления по крену используется поворотное сопло,работающее на горячем генераторном газе. В состав ЖРД РД-58М входят также блок многократного запуска и агрегаты автоматики с пневмоуправлением. Кроме того, на РБ установлены два двигателя сис-темы обеспечения запуска, которые закреплены на нижнем днище бака горючего и предназначены для создания начальной осе-вой перегрузки. Они включаются перед запуском основного ЖРД. Для предотвращения теплового воздействия истекающей газовой струи на элементы конструкции и ЖРД используется донная защита, которая представляет собой сваренный из трубок каркас, обтянутый ЭВТИ.
Приборный отсек выполнен в виде герметичного торообразного контейнера и закреплен на внутреннем и внешнем ярусах верхней фермы. Контейнер изготовлен разъемным и содержит приборы системы управления, а также воздушно-жидкостную систему терморегулирования. Разгонный блок «ДМ» комплектуется коническим и цилиндрическим переходниками, которые связывают его с РН. При отделении РБ от третьей ступени РН конический переходник отделяется вместе со ступенью, а через некоторое время сбрасывается и ци-линдрический переходник. Масса сухого блока без сбрасываемых элементов — 2200 кг, максимальная длина — 6,26 м, максимальный диаметр — 4,1 м, масса КРТ и газов — 15 095 кг.
Разгонный блок «Фрегат» создан в НПО им. С.А. Лавочкина для использования в составе РН «Союз-2». Он допускает до 20 включений маршевого двигателя в полете и имеет запас топлива на борту до 5350 кг. ЖРД работает на компонентах топлива AT + НДМГ. Топливо размещено в четырех сферических баках. Еще две такие же сферические емкости используются в качестве приборных контейнеров. Все шесть сфер размещены вокруг маршевого двигателя, камера которого установлена в карданном подвесе. Силовая рама кардана крепится к четырем кронштейнам, каждый из которых приварен к соответствующему топливному баку. На РБ «Фрегат» имеется также двигательная установка ориентации и обеспечения запуска маршевого двигателя. Ее работа основана на каталитическом разложении гидразина, запас которого (-85 кг) размещен в двух небольших сферических баках. Наддувбаков, обеспечивающий вытеснительную подачу всех компонентов топлива, осуществляется гелием. Первый запуск РБ «Фрегат» по программе летных испытаний успешно осуществлен 9 февраля 2000 г. в составе РН «Союз».
В ГКНПЦ им. М.В. Хруничева создан разгонный блок «Бриз-М», предназначенный для замены блоков серии «Д»/»ДМ» и использования в составе РН «Протон-К» и «Протон-М». Новый разгонный блок позволит повысить массу полезной нагрузки, доставляемой на геостационарную орбиту, до 3 т. С 1999 г. РБ «Бриз-М» проходит летные испытания.
 |
| Монтаж разгонного блока «Бриз-М» |
РБ «Бриз-М» состоит из центрального блока и окружающего его сбрасываемого тороидального дополнительного топливного бака. Топливный отсек цилиндрический с совмещенным днищем при переднем размещении бака окислителя. Верхнее днище бака окислителя сферическое, а нижнее имеет сложную форму и образует полусферическую нишу. Эта ниша проходит через бак горючего и образована внутренней конической обечайкой бака. Коническая обечайка приварена вверху к нижнему сферическому днищу бака окислителя, а внизу — к нижнему сферическому днищу бака горючего.
Маршевый ЖРД, имеющий возможность многократного (не менее 10) включения, установлен в нише, внутри топливного бака центрального блока. ЖРД малой тяги, работающие на тех же компонентах топлива, что и маршевый двигатель, обеспечивают ориентацию и стабилизацию РБ во время автономного полета, а также поджатие топлива в баках при запусках маршевого двигателя. Установленная в приборном отсеке инерциальная система управления обеспечивает управление полетом РБ «Бриз-М» и его бортовыми системами. РБ оснащен также системой энергопитания и аппаратурой для сбора телеметрической информации и для внешнетраекторных измерений. При создании РБ «Бриз-М» большое внимание было уделено улучшению его эксплуатационных свойств. Так, в частности, заправку РБ компонентами топлива предусматривается производить в заводских условиях с последующей ампулизацией блока.
Принципиальной особенностью конструкции РБ «Бриз-М» является использование многих систем и агрегатов от РБ «Бриз-КМ», созданного для РН «Рокот». Для повышения грузоподъемности РБ «Бриз-М» на нем применены сбрасываемые тороидальные топливные баки помимо основных на центральной части блока. Кислородно-водородный разгонный блок (КВРБ) разрабатывается в ГКНПЦ им. М.В. Хруничева для использования с РН «Протон-М», а в перспективе — с РН тяжелого класса «Ангара». Создание КВРБ потребовалось для вывода на высокие орбиты перспективных российских космических аппаратов и расширения спектра услуг на рынке коммерческих пусков. Прообразами этого блока стали нереализованный проект ГКНПЦ им. М.В. Хруничева криогенного разгонного блока «Шторм» и созданный для индийской РН GSLV кислородно-водородный блок 12КРБ.
 |
| Кислородно-водородный разгонный блок |
В ходе проектирования КВРБ были также разработаны несколько его вариантов для применения в составе РН «Зенит» и Arian-5, однако эти варианты пока не нашли своих заказчиков. КВРБ выполнен по одноступенчатой схеме и состоит из верхнего переходника, бакового отсека, двигательного отсека и проставки между КВРБ и РН. Баки КВРБ — несущие, расположены последовательно: сверху — бак жидкого кислорода, снизу — бак жидкого водорода.
Система управления и бортовой измерительный комплекс КВРБ создаются на базе аналогичных систем разгонного блока «Бриз-М». Электронные блоки этих систем установлены на верхнем переходнике. Переходник имеет также стыковочный элемент для установки на КВРБ космических аппаратов как российского, так и иностранного производства. Рассматриваются два варианта маршевого двигателя КВРБ: РД-0146 разработки КБХА и КВД-1М разработки КБХМ. Двигатель РД-0146 создается на базе американского двигателя RL10A-4-1 совместно КБ химавтоматики и компанией Pratt & Whitney. Изготавливаться двигатель будет в Воронеже. Маршевый двигатель имеет тягу в пустоте около 10 тс. Он крепится в карданном подвесе для управления направлением вектора тяги по тангажу и рысканию. Для управления по вращению устанавливаются два блока рулевых микродвигателей.
Возможен многократный запуск двигателя для вывода полезной нагрузки в заданную точку. Проставка двигательного отсека позволяет блоку при минимальных изменениях стыковаться с РН «Протон-М», «Ангара» и другими носителями. Заправка топливом, сжатыми газами, обеспечение температурных режимов пожаробезопасности, электрические связи осуществляются через отрывные бортовые разъемы, находящиеся на самом блоке. Число магистралей и электрических связей с РН минимально, что упрощает адаптацию РБ к различным носителям.
Головным изготовителем КВРБ будет Ракетно-космический завод (РКЗ) ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. Работа над эскизным проектом ведется в тесном взаимодействии с технологическими службами завода и КБ «Салют»,так как часть необходимых технологий уже освоена опытным производством КБ «Салют» при изготовлении индийского блока 12КРБ. Баки и часть конструкции блока покрыты комбинированной теплоизоляцией, а весь блок находится под головным обтекателем. Пространство между КВРБ и обтекателем разбито диафрагмами на несколько зон для обеспечения пожаробезопасности и необходимых температурных режимов.
Космическая ступень, или Зачем нужен и как работает разгонный блок
Чисто космическая конструкция
Космическая ступень чаще не похожа на обычные цилиндры разгонных ступеней (но и такой бывает). И хотя задача космической ступени — тоже разгон полезной нагрузки, ее работа отличается своеобразием, и значительно расширяет возможности ракеты и запуска. Даже название у нее не просто «ступень с номером таким-то» (первая, вторая или третья). Вместо названия — описание: разгонный блок, космическая ступень, космический буксир, орбитальный буксир, ступень разведения.
Космическая ступень — это небольшой маневровый локомотив, таскающий грузы по рельсам орбит, переводя их на те или иные направления в пространстве и задавая нужную скорость на этих путях. Названия его разнятся. Разгонные блоки называются иногда космическими буксирами. Семантическая разница трудноуловима; ведь работа космического буксира и есть разгон груза или его торможение (то есть разгон в направлении, обратном текущей скорости). Физическая суть работы всех разгонных аппаратов одна: изменение скорости полезной нагрузки.
В изменении скоростей — вся баллистика.
Здесь сделаем оговорку. Точного, строгого, научного или конструктивного определения космической ступени нет, в силу широкого спектра ступеней и разнообразия их работы. С одной стороны, раз ступень космическая, она работает в космосе. То есть на высотах выше линии Кармана, обозначающей высоту 100 км (строго говоря, это не линия, а поверхность) и формально назначенной нижней границей космоса. Однако выше 100 км вполне работают вторые и третьи разгонные ступени ракет-носителей. Поэтому высота выше 100 км не подходит для определения разгонного блока. Вернее было бы определить его в баллистических терминах — разгонный блок начинает свою работу в состоянии уже достигнутого ранее орбитального движения.
При этом есть гибриды верхней ступени ракеты и разгонного блока — например, знаменитый американский космический долгожитель на паровой тяге «Centaur». Это верхняя ступень многих ракет-носителей, например «Атласов». Она выводит полезную нагрузку на низкую опорную орбиту, как обычная верхняя ступень. А затем вторым включением (спустя некоторое время) переводит полезную нагрузку с опорной орбиты на переходную или целевую, вплоть до гиперболических траекторий покидания Земли. И эту часть работы «Centaur» выполняет как классический межорбитальный буксир.
Существуют и специфические разгонные блоки — боевые ступени разведения. Они работают в космосе, но не достигают орбитальных скоростей. Хотя их задача физически неотличима от задачи разгонного блока — перевод полезной нагрузки с текущей траектории на целевую. Поэтому не будем вдаваться в семантические тонкости отличий разгонных блоков. Как бы все они ни назывались, это всегда специальный космический аппарат для выполнения заданного разгона груза в космосе.
Разгон часто производится за несколько включений двигателя, разделенных свободным баллистическим полетом; логика их выстраивания — энергетическая. Включения переводят полезную нагрузку с одной текущей орбиты на другую, словно маневровый тепловоз переводит вагон с одного пути на другой. Аналогия тем ближе, что слово «орбита», введенное в космический оборот в 1609 году самим Иоганном Кеплером, и означает на латыни «путь», «дорожка», «колея». Дорога в гравитационном поле. Итогом становится вывод полезной нагрузки на ее заданную орбиту — целевую для разгонного блока. Вышел на эту орбиту с заданной точностью — молодец, попал в цель, полетное задание выполнено.
Работа космического буксира
Главное дело у буксира одно: он изменяет вектор скорости (своей и полезной нагрузки). То есть меняет величину и/или направление скорости. Это приводит к изменению высоты движения, формы орбиты, ее наклонения к плоскости экватора Земли, ее вытянутости и ориентации в пространстве относительно звезд. Добавкой скорости можно изменить тип орбиты — из эллиптической околоземной превратить ее в незамкнутую гиперболу убегания.
Обычно ракета выводит груз на низкую орбиту высотой 185-200 км, лишь бы вытащить его за атмосферу и сообщить ему орбитальную скорость на этой высоте — скорость, при которой полезная нагрузка не падает оттуда. Но космических аппаратов множество, и соответственно у них множество разных полетных заданий. То есть разных рабочих орбит, на которых они должны работать, и на этих орбитах наилучшим образом выполнять свою задачу. Околоземные орбиты описываются верхней (апогей) и нижней (перигей) точками, вытянутостью (эксцентриситетом), наклонением своей плоскости (к экваториальной плоскости Земли). А также направлением продольной (большой) оси орбиты относительно звезд, и другими параметрами движения, или кеплеровыми элементами орбиты.
Некоторые спутники надо поднять на высокие околоземные орбиты. А кто-то должен покинуть гравитационное поле Земли и отправиться в межпланетное пространство – то есть оказаться на гиперболической траектории, по которой он уйдет из земного тяготения.
Межпланетную траекторию нужно сформировать точно и определенно, с заданной величиной конечной скорости (оставшейся после покидания гравитации Земли — она называется гиперболическим избытком скорости) и ее направлением в пространстве. С этой конечной скоростью межпланетная станция и будет совершать первый этап своего далекого путешествия.
Рабочие орбиты для космических аппаратов становятся целевыми орбитами для маневровых локомотивов — космических ступеней. Сцепленные с полезной нагрузкой и находясь вместе с ней в орбитальном движении, они меняют свою скорость для перехода на целевую орбиту. Переход этот может происходить не за одно включение двигателя маневрового локомотива, а за несколько отдельных включений, распределенных по точкам орбиты и разделенных определенными промежутками времени. Так делают ради эффективности этих включений, которые производятся в точках апогея и перигея, или в точках узлов, где орбита пересекает плоскость экватора.
Как увеличить высоту круговой орбиты? Например, с высоты 200 км перейти на высоту 20 000 км — или, другими словами, поднять груженую ступень в сто раз, с низкой опорной орбиты на рабочую орбиту спутника GPS? Это делается за два шага. Первый шаг — космическая ступень на орбите 200 км включает двигатель и создает этим разгонный импульс. Ступень увеличивает свое движение в текущем направлении, увеличивая скорость. Двигатель ориентируют так, чтобы реактивная струя улетала назад по орбите. Тогда орбитальная скорость растет. Полученный импульс (добавочное движение) и приращение скорости приводят к подъему орбиты на другой стороне Земли: тамошняя диаметрально лежащая точка орбиты начинает удаляться от Земли, становясь апогеем и набирая высоту. По мере того как работает двигатель разгонного блока и растет добавочный импульс и текущая скорость, апогей на другой стороне орбиты поднимается все выше. Наконец, он достиг целевой высоты — 20 000 км (более точно для орбиты GPS — 20180 км). После этого двигатель разгонного блока выключается, первый шаг сделан.
Разгонный блок с полезной нагрузкой покидает низкую круговую орбиту и свободно движется по новой эллиптической орбите, сформированной двигателем и полученным импульсом скорости. Блок поднимается к созданному апогею на высоте 20 000 км, замедляясь там, потом с разгоном спускается оттуда обратно к низкой круговой орбите, чтобы только коснуться ее (эта точка теперь самая низкая в его орбите — перигей) и снова двинуться к апогею. Данная эллиптическая орбита — переходная к высокой круговой, на которую нужно перейти вторым шагом.
Он почти в точности повторяет первый шаг, только теперь в апогее. Разгонный блок снова включает главный двигатель; его работа снова увеличивает движение блока с грузом, добавляя скорость в попутном направлении. Это теперь уже поднимает перигей на противоположной стороне орбиты. Когда перигей достигает высоты апогея в 20 000 км, двигатель выключается. Высота перигея и апогея становится одинаковой, они перестают различаться и быть верхней и нижней точками орбиты, а сама орбита становится окружностью на высоте 20000 км над Землей.
Такая схема перехода с одной орбиты на другую называется двухимпульсной и требует двух включений главного двигателя разгонного блока. Эти включения разделены временем путешествия от перигея к апогею (или кратным ему промежутком времени, если двигатель включают не в первое посещение апогея). Точно такой же двухимпульсной схемой и снижают высоту круговой орбиты. Только при снижении оба включения двигателя не разгоняют, а тормозят груженую космическую ступень — реактивная струя двигателя направляется вперед по орбите.
Часто нужно менять наклонение плоскости орбиты к экваториальной плоскости Земли. Например, вывести спутник с наклонений наших средних широт на геостационарную орбиту — то есть перевести в экваториальную плоскость и нулевое наклонение. У работы с наклонениями своя оптимальность: импульсы для изменения наклонения лучше делать в точках пересечения орбитой экваториальной плоскости. Эти точки орбиты называются узлами: восходящий (после которого аппарат уходит выше плоскости экватора) и нисходящий (после которого аппарат уходит ниже плоскости экватора). Причем экономичнее всего давать не один большой импульс в этих точках, а разделять его на несколько меньших включений при нескольких последовательных прохождениях узлов — это сэкономит топливо. Но увеличит число оборотов и время выведения груза на орбиту целевого наклонения.
Включениями главного двигателя и приданием импульсов корректируют и другие параметры орбиты. Поэтому двигательная установка разгонного блока должна обеспечивать несколько включений. А чтобы не растягивать время формирования целевой орбиты, количество импульсов уменьшают до оптимального. И в соответствии с ними возможные включения двигательной установки определяют в пять-восемь раз. Это позволяет выводить полезную нагрузку по выбранной многоимпульсной схеме, дающей экономию топлива, времени, и другие выигрыши.
Помимо многократности включений главного двигателя и массы топлива важна точность формируемого движения. Она достигается работой нескольких систем — система измерения движения, система ориентации в пространстве связки буксир–груз, система управления работой основного двигателя, точный контроль его включения и выключения, и пр. Чем точнее буксир проложит конечную орбиту, тем лучше будет выполнять на ней спутник свою задачу. Или дольше — меньше корректируя орбиту и экономя топливо. Буксир может обеспечивать тепловой режим полезной нагрузки, например, несильно закручивая ее. Тогда под нагрев солнцем и в теневое охлаждение будут попадать попеременно разные участки аппарата, снижая получаемый от Солнца нагрев.
Выведение на геостационарную орбиту — типовая задача разгонного блока. Геостационарные условия лежат на огромной высоте, на расстоянии трех диаметров Земли от поверхности, и в нулевом наклонении. Масса груза, которую туда может вывести разгонный блок, стала мерой возможностей космических буксиров.
Классические разгонные блоки
Специализация для работы в космосе сказывается на особенностях облика и конструкции разгонных блоков. Космическая ступень — это сферические и тороидальные топливные баки в разных сочетаниях, иногда несколько сфер объединяют в тор, иногда один тор размещают под одной сферой. По мере выработки топлива часть баков может сбрасываться, как и другие элементы ступени; конструкция стартовой сухой массой в три тонны к концу работы может «похудеть» на тонну.
Топливные пары используются разные — как с криогенными компонентами, так и высококипящие. Главный двигатель обычно один, с небольшой тягой по сравнению с разгонными ступенями (первые тонны силы). Плюс система ориентации, система стабилизации, система обеспечения запуска двигателя в условиях невесомости, система управления полетом, бортовая электросеть с питанием. У разгонных блоков нет панелей солнечных батарей, потому что время работы в космосе небольшое, и может происходить в теневой зоне Земли. Масса заправленных разгонных блоков варьируется от сотен килограмм до пары десятков тонн и больше, и определяет их баллистические возможности и массы «пассажира» — полезной нагрузки. Стоит коротко взглянуть на конкретные образцы, чтобы ощутить диапазон параметров разгонных блоков.
Разгонный блок ДМ-SL, созданный для использования на ракете-носителе «Зенит-SL» в программе «Морской старт». Фото: www.krasm.com.
Разгонный блок «Фрегат-М». Фото: Роскосмос.
Разгонный блок «Фрегат» родился из межпланетной станции «Фобос» и представляет собой шесть сфер (две с горючим, две с окислителем, две с аппаратурой), слепленных вместе в шестиугольный тор, как шесть атомов углерода в бензольном кольце. Он тоже образует семейство вариантов, и предназначен для работы на ракетах полегче, в основном средних «Союзах», «Ангаре-3». Соответственно, и масса разгонных блоков поменьше — конструкция весит около тонны, тяга двигателя около двух тонн, масса высококипящих топливных компонентов (классические в космосе азотный тетраоксид — несимметричный диметилгидразин) составляет порядка 6-7 тонн. Время активного существования до 2 суток, количество включений до 7. На «Фрегатах» используют сбрасываемые топливные баки («Фрегат-М» и «Фрегат-МТ»), разрастающиеся до сбрасываемых блоков баков («Фрегат-СБ» и «Фрегат-СБУ», СБ означает сбрасываемый блок), что позволило увеличить запас топлива у последних «Фрегатов» до 10-12 тонн.
Разгонный блок «Бриз-М». 3D модель: space4kids.ru.
Космическая ступень работает и в некосмических ракетах. Это случается на орбитах, часть которых пролегает под поверхностью Земли — суборбитальных траекториях. Физика движения по таким орбитам не отличается от космических орбит, просто скорость движения по ним меньше орбитальных скоростей. Но задача формирования траекторий полезных нагрузок чрезвычайно важна и в этих условиях. Речь идет о межконтинентальных баллистических ракетах с боеголовками индивидуального наведения. Такая ракета способна поразить несколько целей в очень удаленном географическом районе. Цели в этом районе лежат на расстояниях десятков или нескольких сотен километров друг от друга.
Для поражения каждой цели нужно провести через нее траекторию боеголовки – это называется наведением. Наведение боеголовок на цели делается поочередно. Несколько последовательных наведений составляют разведение. Его выполняет специальный космический летательный аппарат – ступень разведения.
Установка боеголовок на ступень разведения американской межконтинентальной баллистической ракеты LGM-30G Minuteman III. Фото: wikimedia.org.
Ступень разведения межконтинентальной баллистической ракеты LGM-118A «Peacekeeper» с боеголовками. Источник: Flickr.com
Межконтинентальная ракета Трайдент II D5 (UGM-133A Trident II D5) для подводных лодок считается одной из самых совершенных; при максимальной дальности 11300 км точность падения ее боеголовок достигает 120 м. Ее ступень разведения представляет собой плоское кольцо, надетое на сосиску третьей разгонной ступени. Боеголовки “стоят” основаниями своих конусов на этом кольце, склонив носы к третьей ступени. После выключения третьей ступени кольцо с боеголовками снимается с нее и ориентируется в пространстве по опорным звездам, проводя астровизирование. Бортовая система управления полетом определяет накопившиеся ошибки измерений и вычисляет поправки для их коррекции — происходит астрокоррекция, после которой ступень незамедлительно переходит к разведению.
Для управления своим движением у степени есть шестнадцать реактивных сопел, питаемых газом от четырех пороховых газогенераторов, запускаемых последовательно. Четыре сопла расположены на стороне с боеголовками, четыре сопла на обратной стороне кольца. Они могут двигать ступень вперед и назад, и ориентировать плоскость кольца в пространстве (задавая углы тангажа и рыскания). Оставшиеся восемь сопел могут закручивать кольцо в ту или другую сторону, управляя креном. Сопла работают постоянно и регулируют реактивное усилие, открывая и перекрывая расход газа вплоть до полного выключения сопла при необходимости.
Боеголовки W76, установленные на ступени разведения баллистической ракеты подводной лодки UGM-133A Trident II D5. Они группируются вокруг твердотопливного двигателя третьей ступени (с боковой поверхностью коричневого цвета – это композитная намотка волокна). Справа и слева видны два сопла (белого цвета) из четырех на стороне боеголовок. Фото: wikimedia.org.
На основании астрокоррекции ступень вычисляет траекторию первой боеголовки и занимает ее. Для этого кольцо ступени разворачивается в пространстве боеголовками вперед, и четырьмя «задними» соплами точно доразгоняется до скорости, рассчитанной для первой траектории. После этого ступень поворачивается на 90 градусов, направляя пучок боеголовок вбок и вниз от траектории, в сторону Земли. Ступень размыкает безынерционные замки, удерживающие боеголовку; одновременно размыкаются ее линии связи со ступенью. Боеголовка оказывается отделенной, оставаясь висеть рядом в своем точно выставленном движении. С этого мгновения начался собственный полет боеголовки.
Теперь ступени нужно отойти от боеголовки, и она сделает это достаточно сложным образом. Отход не должен оказать на боеголовку никакого воздействия, потому что любая прибавка к ее точно выставленному движению накопится в добавочный промах у цели. В космосе (а разведение происходит уже в космическом пространстве) оперативно изменить траекторию можно только реактивной силой, а это факел сверхзвуковой струи из сопла. Ступень включает четыре сопла на стороне боеголовок в режиме малого газа, чтобы ослабить факелы, и потихоньку, как мать от колыбели спящего дитя, отходит назад от боеголовки, чтобы не воздействовать на ее точно выставленное движение.
При этом бортовая система управления ступени оценивает положение отделенной боеголовки относительно четырех сопел, которыми ступень отходит в сторону. Если какое-либо сопло оказывается слишком близко к боеголовке, ступень отключает его, увеличивая мощность трех других сопел. Отойдя на трех соплах на безопасное расстояние, ступень снова включает четвертое сопло. За счет этих ухищрений удается свести к минимуму отклоняющие воздействия газовых факелов сопел на боеголовку в процессе разведения, в результате значительно повышая точность разведения – и боевую эффективность ракеты.
Ступень разведения БРПЛ UGM-133A Trident II D5 с боеголовками W76. Фото: en.topwar.ru
После отхода от боеголовки ступень рассчитывает вторую траекторию, и снова разворачивается боеголовками вперед. Она включает четыре сопла на задней поверхности и энергично разгоняется до параметров следующей траектории, точно выставляя движение по ней — свое и очередной боеголовки. И затем снова поворачивается вбок и вниз, к Земле, и отделяет боеголовку. Этот цикл повторяется по числу боеголовок – от 8 до 14 раз, безостановочно и не теряя времени. После отхода ступени от последней боеголовки разведение завершается.
Как мы видим из этого примера, работа ступени разведения достаточно непростая; она может быть построена по разным алгоритмам и облекаться в разные воплощения в металле. Ступени разведения боевых ракет столь же разнообразны по своим параметрам, конструктивным и компоновочным решениям, как и космические разгонные блоки. Энергетика боевых ступеней намного меньше, зато намного выше оперативность и точность их работы. Но при этих отличиях от космических ступеней они выполняют принципиально ту же задачу – изменение текущего движения и перевод груза на целевую траекторию.
Новые разработки, новые поколения
В сегодняшней космонавтике стремительно развивается частная компонента; еще немного — и она может начать определять облик космических средств и задавать основные пути космонавтики. Неспроста возникло и все шире используется понятие Нового космосa («The New Space»), подобно начинающей проступать долгожданной Новой физике. Новый космос — это философия широкого доступа в космическое пространство, невиданного ранее. Который выразится и в огромном количестве полезных нагрузок, на несколько порядков превосходящем сегодняшнюю численность.
Одновременно происходит миниатюризация космических аппаратов благодаря развитию технологий. Совмещаясь с ростом количества космических игроков, она приводит к увеличению количества полезных нагрузок в одном запуске. И вовсе не все они занимают одну и ту же орбиту. Запуск одной ракетой большого количества спутников, иногда на разные орбиты и группы орбит, повышает востребованность в эффективном процессе разведения, и в конструкции, осуществляющей это разведение. Это хорошо иллюстрируют два недавних примера.
28 сентября 2020 года с космодрома Плесецк запустили ракету «Союз-2.1б» с разгонным блоком «Фрегат». Полезная нагрузка — блок аппаратов «Гонец-М» № 16 и кластер из 19 малых спутников от разных заказчиков. «Фрегат» поработал красиво и с размахом по наклонению. Сперва он вывел «Гонцов» на круговую орбиту с высотой 1 500 км и наклонением 82,5° (как видим, 7,5° осталось до полярной орбиты). Затем «Фрегат» за два часа понизил высоту орбиты на 925 км и увеличил ее наклонение до 97,67°, «провернув» на 7,67° за полюс. Таким образом, наклонение новой орбиты увеличилось более чем на 15°. На получившуюся солнечно-синхронную круговую орбиту с высотой 575 км «Фрегат» выпустил остальную мелкую нагрузку. Показав уникально большой диапазон наклонения орбит разных полезных нагрузок в одном пуске.
24 января 2021 г. c мыса Канаверал запущена ракета Falcon 9 с полетным заданием Transporter-1. По солнечно-синхронной орбите высотой 532 × 538 км и наклонением 97,5 полетел десяток спутников Starlink и 133 аппарата для 24 заказчиков, всего 143 спутника — это рекорд по количеству выводимых аппаратов в одном пуске. Для отделения столь многих спутников использовалась отделяемая орбитальная платформа-носитель SHEPRA-FX, разработанный Andrews Space, дочерней компанией Spaceflight Industries, и специализированная к применению на ракетах Falcon 9. Этот вариант платформы не имеет двигателя, и обеспечивает получение телеметрии и связь со всеми выведенными спутниками.
SHEPRA-FX компании Spaceflight Industries. Источник: geekwire.com.
Следующая модификация «Шерпы», космическая ступень SHERPA-LTC, имеет четыре жидкостных двухкомпонентных двигателя для импульсного (быстрого оперативного) маневрирования. Это позволит поднимать и опускать орбиты (например, для фазирования орбит) полезной нагрузки. Полет запланирован на вторую половину 2021 года. Третий вариант, SHERPA-LTE с ксеноновым электродвигателем на эффекте Холла, предназначен для выведения полезной нагрузки на геостационарные, высокоэллиптические, окололунные и гиперболические орбиты покидания Земли, с большим изменением наклонения орбиты при необходимости. Первый успешный запуск осуществлен 30 июня 2021 на ракете Falcon-9, в ходе миссии Transporter-2 (вместе со вторым запуском SHEPRA-FX), в которой SHERPA-LTE успешно доставил на целевые орбиты 3 микроспутника и 8 кубсатов.
Другая частная компания Rocket Lab, запускающая спутники своими носителями Electron, создает космическую ступень Photon. Разработчики называют ее «автобус» — так именуют в англоязычном мире ступени разведения боевых ракет. Она формирует нужный тип орбиты и точное наведение полезной нагрузки, связь с нею, прием телеметрии и передачу на Землю, и другие функции. Самая миниатюрная ступень разведения, «Фотон» создается в двух модификациях. Одна низковысотная для работы с солнечно-синхронной круговой орбитой высотой порядка 550 км, и другая межпланетная, с выводом на гиперболу покидания Земли до 40 кг полезной нагрузки — по массе это группа кубсатов.
Космическая ступень Photon компании Rocket Lab. Фото: kolibri.press.
Среди разработок космических ступеней попадаются и проекты, вызывающие о дельный интерес. Американская фирма Momentus Основана гражданами России Михаилом Кокоричем и Львом Хасисом. И занимается разработкой «средств последней мили» — легкого космического буксира Vigoride, с массой заправленной конструкции 300-500 кг и полезной нагрузкой 200-700 кг. Однако выход на биржу через популярное сегодня в космической отрасли слияние со специализированной компанией типа СПАК приостановлено контролирующими органами. Опасение вызывает предложенный новый тип плазменной двигательной установки, микроволновый электротермический двигатель, топливом для которого служит вода. Выхлоп и работа такого двигателя будут практически не обнаруживаемы средствами контроля околоземного пространства. Это беспокоило государственные органы контроля, задерживая одобрение сделки слияния и доступа к рыночному финансированию проекта. Хотя эти формулировки могут быть просто ширмой, прикрывающей опасения утечки технологии в Россию. По недавним сообщениям, проблемы, наконец, устранены, и Vigoride готовится к запуску на орбиту в 2022 году.
Космический буксир Fervoride компании Momentus. Источник: twitter.com.
Между тем Momentus разрабатывает еще два варианта орбитального буксира в более тяжелых массовых категориях. Ardoride с заправленной массой 1,5 Vigoride — 3 тонны и массой полезной нагрузки до 4 тонн, выводящий на широкий диапазон орбит, включая геостационарную и высокоэллиптические. И на порядок более тяжелый Fervoride с заправленной массой 15 – 30 тонн и массой полезной нагрузки до 20 тонн – маневровый гигант. Все три варианта создаются как многоразовые, с возможностью дозаправки на орбите и многократного использования одного буксира для все новых полезных нагрузок.
Какими протоками развития проляжет широкое космическое русло? Нет сомнения в том, что в том числе и через развитие космических буксиров. Роскосмос разрабатывает легкую «Волгу» и большой кислородно-водородный разгонный блок КВТК для запусков тяжелой «Ангарой-А5» на высокоэнергетические орбиты. Частный космос разрабатывает самые разные функционально гибкие космические ступени, увеличивающие возможности ракеты и клиентский сегмент по запускаемым полезным нагрузкам и полетным заданиям.
Развитие космических ступеней позволит расширить поток грузов на космические орбиты, и подойти к каждой полезной нагрузке индивидуально, дав ей свою оптимальную орбиту. Облик космических буксиров (конструктивный и функциональный) меняется в широком диапазоне возможного, от тяжелых средств выведения больших грузов на высокоэнергетические орбиты до ступеней разведения гражданского назначения, с высокой точностью разводящих множественные мелкие полезные нагрузки на индивидуальные низкие орбиты.
Это сильно увеличит количество космических операторов, размещающих свою технику в космосе, и повысит эффективность ее работы за счет оптимальности индивидуальных орбит. Отдача от присутствия в космосе возрастет, а само наше присутствие там станет широким и обычным. А человечество будет становиться всё более «космическим», обживающим космос в том числе и этим техническим направлением — развитием космических ступеней.