Тревор Сесник, 28 мая 2021 г., Everyday Astronaut, 10 минут на чтение
Технологический прогресс последних десятилетий позволил производителям резко уменьшить размер электроники. Это привело к уменьшению размеров спутников, что привело к резкому взрыву рынка малых спутников (small sat). Для запуска этих спутников пусковые компании проектируют и строят небольшие и более дешевые ракеты. Эти ракеты относятся к малым спутниковым пусковым установкам.
Небольшие спутниковые пусковые установки имеют ряд преимуществ. Во-первых, они могут запускать небольшие спутники на своей собственной специализированной ракете (или в небольшом райдшере), а не в совместном запуске с сотнями спутников. Это позволяет клиенту точно вывести свой спутник на целевую орбиту. Кроме того, из-за меньшего размера эти ракеты изначально дешевле; нет причин оплачивать дополнительные возможности ракеты-носителя средней или большой грузоподъемности при выведении небольшого спутника.
Поскольку все больше и больше новых проектов разрабатывается и воплощается в металле, пришло время рассмотреть и сравнить небольшие спутниковые пусковые установки. В этой статье будут рассмотрены ракета-носители Alpha от Firefly, LauncherOne от Virgin Orbit, Rocket 3 от Astra, Terran 1 от Relativity Space, RS-1 от ABL и Electron от Rocket Lab. Кроме того, для сравнения включены Falcon 1 и Falcon 9 от SpaceX.
Это далеко не полный список небольших спутниковых пусковых установок. Существует множество проектов, которые находятся в разработке.
Что такое маленькая спутниковая пусковая установка?
Маленькая спутниковая пусковая установка, или ракета-носитель с малой полезной нагрузкой, — это один из классов ракета-носителей. Ракеты этого класса могут вывести на низкую околоземную орбиту (НОО) до 2000 кг. Все, что с массой полезной нагрузки от 2 000 до 20 000 кг на НОО, является ракетой-носителем средней грузоподъемности, такой как «Союз», «Протон» и многоразовый Falcon 9. Все, что от 20 000 кг до 50 000 кг является ракетой-носителем большой грузоподъемности, например Falcon 9 в одноразовом варианте, или Delta IV Heavy. Наконец, любая ракета-носитель, способная вывести более 50000 кг, является сверхтяжелой ракетой-носителем, такой как Starship от SpaceX или Saturn V.
В связи с большим увеличением количества малых спутников возрастает спрос на ракеты-носители с малым весом полезной нагрузки. Использование более мощной ракеты является излишним, даже если теоретическая цена за килограмм будет дешевле для более крупной ракеты. Для малой спутниковой ракеты с массой полезной нагрузки 200 кг запуск за 5 миллионов долларов дешевле, чем заказ отдельного полета Falcon 9 за 50 миллионов долларов.
Использование совместных запусков множества спутников (Rideshare) становится обычным явлением с помощью специальных миссий Space Flight Inc. и SpaceX. Однако это накладывает ограничения на доступный набор орбит.
Ракеты в разработке
Есть несколько небольших спутниковых пусковых установок, разработка которых еще не завершена, чтобы их можно было включить в сравнение. Тем не менее, они все же заслуживают упоминания из-за уникальных аспектов и перспектив на будущее.
Prime
Первая — это ракета Prime Orbex. Prime использует уникальную коаксиальную конструкцию баков в котором топливный бак с жидким пропаном находится внутри бака с жидким кислородом. Это уменьшает количество переборок и изолирует топливо. Orbex надеется сделать первую ступень Prime возвращаемой, но о конструкции ракеты известно очень мало.
Skyrora XL
Вторая — это малая пусковая установка Skyrora, Skyrora XL. На машине также будут использоваться совмещенные баки. Однако, в отличие от Prime, двигатели будут работать на высококонцентрированной перекиси и РП-1 с двигателем замкнутого цикла. Ракета будет использовать один двигатель для вращения насоса, как РД-107 и РД-108 на «Союзе». Однако, в отличие от «Союза», поток топлива, проходящий через насосы, будет направлен обратно в камеру сгорания.
Rocket-1
Третья — ракета-носитель Rocket-1. Будет использовать кислородно-керосиновый двигатель с замкнутым циклом, обогащенный кислородом. Это будет первый американский двигатель такого типа. Единственным другим двигателем ступенчатого сгорания, обогащенным кислородом, является BE-4 Blue Origin. Двигатель имеет 365 секунд удельного импульса в вакууме, что приближается к теоретическому пределу для РП-1.
Малые спутниковые пусковые установки
Electron
На момент публикации ракета Electron от Rocket Lab была единственной действующей небольшой спутниковой пусковой установкой в этом списке. Electron впервые стартовал в 2017 году в рамках миссии It's a Test, завершившейся прерыванием полета из-за сбоя в системе наземной связи. Однако менее чем через год, 21 января 2018 года, Electron впервые успешно вышел на орбиту.
Уникальные особенности
У Electron много нововведений и уникальных особенностей. Прежде всего, весь корпус Electron сделан из углеродных композитов. Это делает баки легкими и прочными. Другой уникальной частью Electron является его двигатель: Rutherford. Rutherford — реактивный двигатель с электрическим топливным насосом. Это означает, что двигатель использует электродвигатели для вращения турбин, в отличие от предварительной горелки или газогенератора, что значительно снижает сложность двигателя. Более того, поскольку двигатель довольно мал, с девятью двигателями Rutherford на первой ступени и одним Rutherford на второй ступени, двигатель можно полностью напечатать на 3D-принтере. Это снижает затраты и сокращает время изготовления двигателя.
В настоящее время Electron стартует с пускового комплекса 1А (LC-1A) на полуострове Махия в Новой Зеландии. Однако у Rocket Lab есть еще две стартовые площадки. В паре сотен метров правее LC-1A Rocket Lab строит вторую стартовую площадку, LC-1B. Подобно тому, как SpaceX использует SLC-40 и LC-39A на мысе, Rocket Lab будет использовать две площадки для увеличения частоты запусков. Наконец, Rocket Lab также строит MARS Pad 0C в Уоллопсе, Вирджиния, США.
Несмотря на то, что основная стартовая площадка Rocket Lab и большая часть их производства происходит в Новой Зеландии, это американская компания. Штаб-квартира Rocket Lab находится в США, что позволяет им запускать полезные нагрузки NASA и USSF и обходить некоторые ограничения ITAR.
Многоразовое использование
Кроме того, еще одна очень интересная особенность будущего Electron — это восстановление и повторное использование первой ступени. Rocket Lab планирует использовать парашют, чтобы замедлить скорость ступени, прежде чем поймать ее с помощью вертолета. (больше об этих планах в этом видео). На момент публикации Rocket Lab уже успешно возвратила два ускорителя Electron, и они даже повторно использовали некоторые из компонентов ускорителя. Например, в миссии Running Out of Toes Rocket Lab повторно использовала систему наддува топлива, которая использовалась в миссии Return to Sender.
Photon
Наконец, у Electron есть дополнительная третья ступень. Это может быть либо их Kick stage, либо Photon. У Photon есть два варианта: межпланетная версия, которая может лететь к Венере, а также версия для орбиты Земли. У Photon есть единственный двигатель под названием Curie. Двигатель Curie выпускается в трех вариантах: версия на холодном газе, двухрежимная версия и двухрежимная версия для глубокого космоса Hyper Curie, работающая на каком-то зеленом топливе длительного хранения, о котором Rocket Lab еще не раскрыла информацию. Сегодня Curie почти всегда используется в двухрежимной конфигурации, а Hyper Curie присутствует только в версии Photon для дальнего космоса. Кроме того, Photon можно использовать как спутниковую платформу.
LauncherOne
Далее идет LauncherOne от Virgin Orbit. LauncherOne стартует по схеме «воздушный старт», что означает использование Boeing 747 как мобильную стартовую площадку, или как мини-первую ступень. Воздушный запуск имеет ряд преимуществ, таких как возможность запуска с любым наклоном орбиты и запуск в плохую погоду. Однако это сопровождается рядом недостатков, поскольку ограничивает размер ракеты и увеличивает сложность.
Ракета запускается с доработанного самолета Boeing 747-400, получившего название Cosmic Girl. 747 был выбран по ряду причин. Во-первых, в отличие от единственного в своем роде самолета Stratolaunch, есть тысячи подготовленных пилотов, механиков и инженеров, которые обучены работать с ним и управлять самолетом. Кроме того, 747 был изначально разработан для перевозки пятого двигателя под левым крылом для доставки запасных реактивных двигателей по всему миру. Это дало Virgin Orbit отличное место для установки ракеты, поскольку с некоторыми доработками в конструкции самолет мог выдерживать массу ракеты.
Ракета-носитель
LauncherOne — это двухступенчатая малогабаритная пусковая установка. Первая ступень оснащена одним двигателем Newton 3, который является двигателем открытого цикла. Вторая ступень также оснащена одним двигателем оптимизированным для вакуума версией под названием Newton 4. Как и RS-68 на Delta IV, серия ракетных двигателей Newton использует выхлопные газы газогенератора для закрутки ракеты-носителя во время полета.
LauncherOne впервые была запущена в 2020 году, но вскоре после запуска двигателя произошел сбой. В январе 2021 года LauncherOne стартовала второй раз, успешно выйдя на заданную орбиту.
Ракета Astra
Ракета Astra — двухступенчатая мобильная малолитражная ракета-носитель. Ракета способна поместиться в стандартном транспортном контейнере. Вся инфраструктура и оборудование наземного обслуживания также могут транспортироваться в морских контейнерах. Эти контейнеры можно загрузить на самолет C-130 и доставить в любую точку мира.
Как и вышеупомянутые ракеты, ракета Astra работает на топливной паре керосин-кислород. Первая ступень оснащена пятью двигателями Delphin, которые, как и Rutherford, питаются от электронасоса и напечатаны на 3D-принтере. Вторая ступень оснащена одним двигателем Ether с вытеснительной системой подачи топлива.
На сегодняшний день ракета Astra прошла три испытания. Все три закончились неудачей. Первый тест, Rocket 3.0, провалился во время предполетных испытаний, когда пожар уничтожил ракету. Во время второго полета офицер по технике безопасности отключил двигатели после того, как ракета начала отклоняться от курса. Наконец, в декабре 2020 года Rocket 3.2 прошла линию Кармана, но не смогла выйти на орбиту, недобрав 500 м/с из-за неправильной пропорции топливной смеси на второй ступени. Сейчас у Astra ~ 10 клиентов, готовых к запуску на ракете Astra, начиная со следующей миссии.
Alpha
Из-за внутренней политики Firefly компания и ракета малоизвестны. В 2014 году была основана Firefly Space Systems, а несколько лет спустя, в 2017 году, компания обанкротилась и стала Firefly Aerospace. За время этого изменения Alpha пришла к нынешней форме: самая большая на сегодняшний день ракета из углеродного композита с четырьмя двигателями Reaver на первой ступени и одним двигателем Lightning на второй ступени.
Оба двигателя работают на топливной паре керосин-кислород и используют уникальный цикл отвода. Это означает, что газ из камеры сгорания используется для вращения турбин. Отводной цикл выгоден, поскольку он позволяет сжигать все топливо и окислитель в камере сгорания; однако цикл усложняет зажигание двигателя.
RS-1
ABL Space Systems ставит перед собой цель создать RS-1 — самую простую и экономичную ракету из когда-либо созданных. Как и другие в этом списке, RS-1 оснащена девятью двигателями Keralox E2 на первой ступени, напечатанными на 3D-принтере. На второй ступени находится один оптимизированный для вакуума двигатель E2. Двигатель E2 — это двигатель с открытым циклом, целью которого является создание ракеты простой конструкции.
Однако, в отличие от других ракет из этого списка, RS-1 может запускаться откуда угодно. Ракета, GSE и другая пусковая инфраструктура упакованы в стандартный транспортный контейнер.
Terran-1
Как и в случае с другими упомянутыми ранее ракетами, Relativity Space собирается напечатать двигатели для Terran-1 на 3D-принтере. В отличие от других ракет, Terran-1 будет полностью напечатан на 3D-принтере. Таким образом, Relativity Space планирует уменьшить количество деталей, необходимых для сборки ракеты, на два порядка (в 100 раз), упростив производство и сократив время изготовления. Кроме того, 3D-печать позволяет легко изменять конструкцию, поскольку не нужно менять какие-либо инструменты и оснастку.
Первая ступень Terran-1 оснащена девятью двигателями Eon 1. Вторая ступень оснащена одним оптимизированным для вакуума двигателем Eon 1. Двигатели открытого цикла, работают на сжиженном природном газе и жидком кислороде. Подобно Raptor и RS-25, двигатель Eon 1 будет использоваться для создания давления наддува в баках. Это избавляет от необходимости хранить на борту гелий в баллонах. Гелий используется только для запуска двигателей и поставляется оборудованием наземного обслуживания.
Terran-1 будет запущен из стартового комплекса 16 (LC-16) на базе Космических Сил на мысе Канаверал во Флориде, США.
Сравнение
Во-первых, можно сравнить размеры всех малых пусковых установок. Это проясняет, почему эти машины называются «пусковыми установками малой грузоподъемности», поскольку они значительно меньше, чем Falcon 9 средней грузоподъемности.
Кроме того, можно сравнить диаметр каждой ракеты:
Затем можно сравнить полезную нагрузку каждой ракеты при выведении на солнечную синхронную орбиту (SSO). SSO — это околоземная орбита с большим наклонением орбиты, от 96,6° до 142,1°. Эти орбиты гарантируют, что спутник ежедневно проходит над каждой точкой Земли в одно и то же среднее солнечное время. Важно отметить, что цифры полезной нагрузки в настоящее время являются приблизительными. Многие из этих ракет не летали и все еще находятся в разработке. Цифры в будущем, вероятно, будут сильно отличаться по мере продолжения разработки и появления дополнительных вариантов.
Кроме того, можно сравнить цены за каждую небольшую спутниковую пусковую установку. Все цены скорректированы с учетом инфляции и указаны на 2021 год. Поскольку эти цифры являются приблизительными, к ним не следует относиться серьезно. Истинная стоимость не будет известна, пока они не будут введены в эксплуатацию. Из-за высокой степени неопределенности в оценке полезной нагрузки и стоимости запуска сравнение цены за килограмм не будет точным или справедливым. Важно помнить, что малые ракеты-носители никогда не будут столь же рентабельными, как ракеты большего размера по стоимости за килограмм, поскольку их единственная цель — обеспечить точный вывод на заданную орбиту.
Резюме
В целом очевидно, что из будущих малолитражных ракета-носителей RS-1 и Terran-1 будут способны доставить около 1000 кг в SSO. Однако такая грузоподъемность имеет свою цену, поскольку эти две ракеты значительно дороже, чем ракета Astra и Electron.
Ракета Electron Rocket Lab имеет значительное преимущество перед другими ракета-носителями малой грузоподъемности, поскольку она запускалась 20 раз, выведя на орбиту более 100 космических аппаратов. Точно так же LauncherOne также является испытанной ракетой и может запускать полезную нагрузку под любым углом, что может потребоваться для некоторых полезных нагрузок. Firefly находится в том же положении, что и Alpha, так как у них на стартовой площадке стоит ракета, ожидающая запуска.
Наконец, поистине удивительно, чего SpaceX смогла достичь более десяти лет назад с помощью Falcon 1. При меньшем финансировании SpaceX смогла создать более производительную и более дешевую ракету, чем некоторые из небольших спутниковых пусковых установок, которые еще разрабатываются сейчас.
