Легкие ракеты России: ракета-носитель Союз-2.1в

статья выходного дня

Предыдущая статья - Ракета-носитель Союз-6

Легкие ракеты-носители традиционно не привлекают много внимания. Он не поражают внимание современников своими масштабами и применяются реже, чем более распространенные ракеты среднего класса. Но совершенствование элементной базы приводит к облегчению спутников, и вот уже рядовая ракета среднего класса выводит их десятками за раз, иногда поднимая в небеса по сотне спутников! Разработчикам орбитальной техники приходится ждать своей очереди на запуск по много лет - поскольку набирать кластер из сотни мелких сателлитов приходится долго, с учетом того, что они могут выводиться на различные орбиты. Вот тут на выручку приходят легкие ракеты, которые собирают срочные заказы за соответствующее вознаграждение.

Сейчас мы начнем рассказ о новых российских ракетах легкого класса, который пришли на смену ракетам советского периода.

Советский легкий класс

Советские ракеты легкого класса возникли естественным образом на базе межконтинентальных баллистических ракет (МБР). Их довольно много, наиболее известны ракеты серий "Космос", "Циклон", позже - "Рокот". Часть ракет была получена конверсией выводимых с боевого дежурства МБР, как "Днепр" и "Стрела".

Все эти ракеты характеризуются простотой конструкции, невысокой стоимостью запуска и использованием высококипящего ракетного топлива - несимметричного диметилгидразина и азотного тетраоксида (пара НДМГ-АТ, гептил-амил). Они обычно более надежны, чем более сложные ракеты среднего и в особенности тяжелого классов. Так, ракета Циклон-2 производства "Южмаша" поставила до сих пор не перекрытый ничем рекорд надежности космической техники - все 106 ее запусков прошли без единой аварии!

Позиции конверсионных ракет, однако, страдают от двух факторов глобального порядка:

• имевшей место разрядкой международной напряженности, из-за которой больших МБР стало банально меньше;
• и высокой токсичностью их ракетного горючего - гептила, которое вызывает противодействие со стороны влиятельного экологического движения.

Поэтому создаются легкие ракеты на "мирном" ракетном топливе - керосине и жидком кислороде. Которое считается экологически чистым, хотя и не безупречным из-за высоких выбросов СО2. Но керосин и другие горючие той же углеводородной группы - нафтил и синтин - по крайней мере, не ядовиты.

Легкая ракета-носитель Союз-2.1в

Легкая ракета-носитель Союз-2.1в максимально унифицирована с самыми массовыми ракетами-носителями современности серии Р-7, которые в России были модернизированы до серии Союз-2 с сохранением значительной части советских узлов и агрегатов.

Младшая ракета серии, Союз-2.1в походит на средние ракеты Союз-2.1а и Союз-2.1б, имеет сходные размеры и запускается с того же старта. А отличие, которое не сразу бросается в глаза, состоит в отсутствии у нее знаменитых "морковок" - четырех боковых ускорителей, придуманных для первой космической ракеты С.П. Королевым. Поскольку Союз-2.1в, в отличие от Р-7, построен по канонам легкого класса - двухступенчатой тандемной схеме.

В первой ступени РН Союз-2.1в применяется "бесплатный" маршевый двигатель НК-33, созданный для советских ракет-носителей H-1 Л3. Эти "лунные" ракетные двигатели пытались использовать американцы, которые бездумно форсировали их на 108% для своей РН Antares - но после взрыва РД на старте отказалось от этой затеи. Умнее поступили создатели Союза-2.1в, которые не стали перенапрягать мотор 70-х годов XX века, а дополнили его рулевым двигателем РД-0110Р, созданным на основе РД-0110 - двигателя верхней ступени РН Союз-2.1а. Суммарная земная тяга модернизированного НК-33А и нового РД-0110Р составила 180 тонн - против 166.3 тонн у форсированного на 108% НК-33. Это обеспечило необходимую стартовую тягу при более надежной работе двигательной установки (ДУ).

На фотографии можно увидеть сопло маршевого НК-33А в центре ракеты Союз-2.1в и четыре рулевые камеры РД-0110Р по краям, а также выход газогенератора РД-0110Р, поскольку данный рулевой РД построен по классической открытой схеме. В НК-33, выполненном по более совершенной замкнутой схеме, выход газогенератора поступает через тракт окислительного газа в камеру сгорания. Поэтому присутствует только маленький выхлопной патрубок пусковой пиротурбины, который виден справа от сопла.

Вторая ступень РН Союз-2.1в, переходник головного обтекателя и сам головной обтекатель взяты от РН Союз-2.1б - наиболее совершенной российской ракеты среднего класса. В ней применяется новый российский ракетный двигатель РД-0124, признанный самым эффективным в истории мирового ракетостроения. Именно этот РД работает на верхней ступени РН в большей части коммерческих запусков Роскосмоса.

Блок выведения "Волга"

Одно важное отличие Союза-2.1в от Союза-2.1б скрыто под головным обтекателем и состоит в применении легкого блока выведения "Волга" вместо разгонного блока "Фрегат" - который слишком тяжел и габаритен для ракеты легкого класса.

Блок выведения "Волга" создан специально для РН Союз-2.1в и, в отличие от ее второй ступени, допускает множество включений своей ДУ. Он отделяется от второй ступени ракеты-носителя, осуществляет при необходимости довыведение на замкнутую орбиту и выдает т.н. апогейный импульс для формирования целевой орбиты. Далее разводит спутники друг от друга, если их несколько. После завершения работы блок выведения сходит с орбиты для затопления в заданном районе Мирового океана. Для совершения маневров применяется высококипящее топливо НДМГ-АТ, но его немного по сравнению с общим весом ракеты Союз-2.1в, поэтому экология не страдает.

Блок "Волга" позволяет РН Союз-2.1в обслуживать орбиты высотой до 2000 км. Полезная нагрузка на солнечно-синхронной орбите высотой 835 км и наклонением 98.7 градусов при запуске с космодрома Плесецк составляет 1400 кг. Это же блок "Волга" может применяться и применяется совместно с ракетами Союз-2 среднего класса.

Справочная информация по ракетам-носителям Союз-2.1

Таблица составлена на основе информации из открытых источников. Анализ ее данных показывает, что РН Союз-2.1в отличается невысоким массовым совершенством - при вдвое меньшей стартовой массе она выводит втрое меньшую полезную нагрузку. Отчасти это объясняется высокими гравитационными потерями:  тяговооруженность Союза-2.1в на старте составляет всего 112.5% против 134% у Союза-2.1а и Союза-2.1б. Также двухступенчатая схема выведения уступает трехступенчатой. Средние ракеты "Союз" за время своей истории были отточены до совершенства, чего пока нельзя сказать о легкой ракете.

Но назначение легкой ракеты состоит не в том, чтобы обеспечить рекордные технические характеристики, а в том, чтобы обеспечить  более оперативность при выводе полезных нагрузок. Поскольку значительную часть заказов на легкие ракеты собирают потребности по выводу разнообразных экспериментальных спутников.

Маршевые ракетные двигатели Союза-2.1в

У ракетного двигателя НК-33 драматическая судьба. Космические моторы, надолго опередившие свое время, должны были быть уничтожены вместе с ракетами H-1 Л3. Но создатель, Николай Кузнецов, сохранил их для будущего. Ракетные моторы Кузнецова пришлось прятать и от западных разведок, и от Политбюро ЦК КПСС. Первые полеты ракет с этими РД прошли в 2013 году - более чем через 40 лет после производства НК-33 после их долгого сверхнормативного хранения.

Представьте себе ретромобиль 70-годов, который полвека простоял в закрытом гараже. Гараж открыли, автомобиль завели и он поехал! Вы тоже можете проделать такой опыт - купить дешево и сердито ВАЗ-2101 на Автомалиновке и его завести. Или автомобиль Москвич-412, который ездил у автора этой статьи до 2008 года, а потом был продан в исправном состоянии на вторичном рынке. У СНТК имени Н.Д.Кузнецова получилось завести ракетные ретро-моторы этого же исторического периода!

НК-33 отличается непревзойденным ресурсом многократного включения. Стендовые испытания до отказа проводились в течение 15 тыс. часов, что в 80 раз больше времени работы первой ступени Союза-2.1в. А измеренная на стенде надежность РД НК-33 составляет 0.9994. Этот двигатель, как и многие другие гениальные творения Николая Кузнецова, мог бы стать космическим "мотором нации". Однако за прошедшее время были созданы еще более мощные, напряженные и дорогие ракетные двигатели московского "Энергомаша" - которые прошли проверку на американских "Атласах" и "Антаресах". Поэтому НК-33 не производится, а берется из запасов ПАО Кузнецов и дорабатывается для применения на Союзе-2.1в. Это значит, что число запусков ракет Союза-2.1в в нынешней модификации будет ограничено.

Один из способов продлить эксплуатацию НК-33 может состоять в организации вертикальной посадки первой ступени Союза-2.1в с помощью модернизации РД-0110Р до тормозного двигателя, оснащения ступени аэродинамическими рулями и посадочными опорами. Но этот вариант не рассматривается.

Для последующей эксплуатации Союза-2.1в готовится ракетный двигатель РД-193 - модификация РД-191 без узла качания, поскольку управление полетом ракеты выполняется с помощью рулевого РД-0110Р. Замена НК-33 более мощным РД-193 позволит поднять стартовую тягу почти до 220 тонн, тяговооруженность до 137%  и увеличить выводимую полезную нагрузку за счет значительного сокращения гравитационных потерь. Ракета станет мощнее, но дороже и ей снова придется вести трудную конкуренцию со своими собратьями из среднего класса.

Заключение

На примере ракеты Союз-2.1в мы видим, как постепенная модернизация ракетной техники приводит к появлению новых решений, которые при определенном внешнем сходстве имеют мало общего с исходной конструкцией. Если сравнить Союз-2.1в с ракетой-носителем "Союз" 60-х годов, то поменялось практически все - система управления, нижняя и верхняя ступени, ракетные двигатели. Остались баки для ракетного топлива с силовым набором, который в наше время заменяют фрезерованием. И еще одна важная деталь - маршевый ракетный двигатель первой ступени - связывает ракету XXI века с советским прошлым.

Дальнейшая модернизация РН Союз-2.1в будет проходить путем замены маршевого НК-33 на российский РД-193. Впрочем, при нынешней частоте запусков этой ракеты - примерно раз в год - на этот следующий шаг потребуется около 20 лет.

Интересно, что Союз-2.1в не будет единственной легкой ракетой "экологического" типа. Еще одна ракета аналогичного легкого класса построена по новому проекту с использованием российского ракетного двигателя РД-191. Это Ангара-1.2, которую производит омское производственное объединение "Полет". Первый полет Ангары-1.2 состоялся 29 апреля 2022 года:
Первый запуск ракеты-носителя "Ангара" со спутником Земли

О легких ракетах серии "Ангара" мы подробнее расскажем в отдельной статье, которая готовится:
Легкие ракеты России: Ангара-1.1, Ангара-1.2 и Крыло-СВ

Сокращения:
РД - ракетный двигатель
ДУ - двигательная установка
ПН - полезная нагрузка
РН - ракета-носитель
РБ - разгонный блок
ПН - полезная нагрузка
ГО - головной обтекатель
НОО - низкая околоземная орбита
ССО - солнечно-синхронная орбита

С другими материалами Автомалиновки по освоению космоса можно познакомиться здесь:
Продолжение космической гонки: ракета-носитель Союз-6
Полеты звездных кораблей в Бока-Чика
Полет "Старшипа" к Марсу с возвращением на десятом километре
Лунная станция Чанъэ-5 - предвестник будущей пилотируемой экспедиции
Ракета-носитель "Ангара" приходит на смену советскому "Протону"
Испытания тяжелой ракеты-носителя "Ангара" и разгонного блока "Персей"
Первый запуск ракеты-носителя "Ангара" со спутником Земли

Все материалы на космическую тематику