Легкие ракеты России: Ангара-1.1, Ангара-1.2 и Крыло-СВ

статья выходного дня

Предыдущая статья - Легкие ракеты России: ракета-носитель Союз 2.1в

Продолжаем наш цикл, посвященный легким ракетам-носителям России. На фотографии Ангара-1.2, только что запущенная с космодрома Плесецк, теряется на фоне непропорционально большой башни обслуживания, как будто не для этой легкой и изящной ракеты предназначенной. И в самом деле - огромная башня обслуживания построена для запусков Ангары-А5 - самой мощной российской ракеты, которая в 5 раз тяжелее Ангары-1.2.

Так получается, что ракеты-носители легкого класса создаются на сами по себе, а являются производными от ракет других типов - конверсионных МБР, как "Рокот", ракет среднего класса, как Союз-2.1в или даже ракет тяжелого класса, как Ангара-1. Поэтому сейчас мы вкратце расскажем о ракетах семейства "Ангара", а затем перейдем к интересующему нас легкому классу. Ракеты которого будем сравнивать не только с ракетами - но и с автомобилями!

Ракеты-носители семейства "Ангара"

"Ангара" - это новое семейство российских ракет, которое создается в Государственном космического научно-производственного центра (ГКНПЦ) им. Хруничева, проще - в Центре имени Хруничева (ЦИХ) с 1994 года. В первоначальном задании речь шла о только о замене советской РН тяжелого класса "Протон", которая производится там же в ЦИХе. Но в 1997 году проект творчески переосмыслили в пользу создания целого семейства ракет тяжелого, среднего и легкого классов на единой конструктивной основе.

Компоновка тяжелой ракеты была выбрана подобной всемирно известным ракетам семейства "Союз" - четыре боковых блока, один центральный блок и блок верхней ступени. И то же самое экологически чистое ракетное топливо - керосин (нафтил, синтин) и жидкий кислород. Но, в отличие от "Союза", собираемого из разнородных блоков со сложной геометрией, в "Ангару" была заложена концепция простого универсального ракетного модуля (УРМ). Который с точностью до дополнительного оснащения (т.н. ДОПы) одинаков как на центральном, так и на блоковых блоках ракеты-носителя. В практике ракетостроения такие унифицированные модули неофициально называют "сосисками".

Специально для УРМ-1 "Ангары" были созданы однокамерные ракетные двигатели РД-191, характеризующиеся высочайшим удельным импульсом тяги на уровне земли - 311.5c, возможностью глубокого дросселирования тяги до 27% и высокой тяговооруженностью.

В зависимости от числа блоков УРМ-1, получаются ракеты различного класса:

один центральный блок - легкий класс;
один центральный и два боковых блока - средний класс (Ангара-A3);
один центральный и четыре боковых блока - тяжелый класс (Ангара-A5).

Далее, а точнее, выше, ракета может снабжаться:

верхней ступенью УРМ-2 - керосиновой или, в перспективе - водородной (Ангара-A5В);
либо верхней ступенью УРМ-2 и разгонным блоком;
или только разгонным блоком.

Разгонный блок, размещаемый под головным обтекателем вместе с полезной нагрузкой, может быть выполнен с применением:

высококипящего ракетного топлива (Бриз-М или Бриз-КС)
керосина и жидкого кислорода (ДМ-Персей)
в перспективе - жидкого водорода и кислорода (КВСК или КВТК)

Это дает невероятно большое число различных вариантов компоновки "Ангары", которые ограничиваются только соображениями оптимального распределения масс по модулям. Концепция модульной РКН (ракеты космического назначения) была защищена в докторской диссертации Александра Алексеевича Медведева, ныне генерального конструктора космических ракетных комплексов "Роскосмоса".

Представьте себе автомобиль, который в зависимости от сборки выступает или как полноразмерный внедорожник, или как элегантный седан, или как двухместный ситикар. Скажете, такое невозможно? А у ракетостроителей - получилось! Легкий, средний и тяжелый класс на все вкусы - в одном семействе космических ракет-носителей!

РН Ангара-1.2 — Компоновка РН семейства "Ангара" (1.1, 1.2, A3, A5, A5B) *(GW_Simulations)*

Характеристики ракет-носителей семейства "Ангара"

характеристики РН		Ангара 1.2	Ангара A3	Ангара A5
стартовая масса		171 т	480 т	773 т
длина		41.5 м	45.8 м	55.4 м
диаметр		2.9 м	8.86 м	8.86 м
ПН на НОО	Плесецк	3.5 т	14.6 т	23-24 т
ПН на ССО	Плесецк	2.4 т	-	-
ПН на ГПО*	Плесецк	-	2.4 т	5.4 т
ПН на ГПО*	Восточный	-	-	7.0 т
ПН на ГСО*	Плесецк	-	1.0 т	2.8 т
ПН на ГСО*	Восточный	-	-	3.6 т

* Применяется разгонный блок Бриз-М при старте с Плесецка и ДМ при старте с Восточного

К настоящему времени совершено три испытательных полета тяжелой РН Ангара-А5 с габаритно-весовыми макетами, которые доставлялись на геостационарную орбиту разгонным блоком. Т.е. это была ракета в наиболее полном варианте, которую автомобилисты могли бы назвать "полноразмерной модификацией". Первый полет Ангары-А5 состоялся в 2014 году, а про испытания 20-x годов можно прочитать подробнее в обзорах:
Ракета-носитель "Ангара" приходит на смену советскому "Протону"
Испытания тяжелой ракеты-носителя "Ангара" и разгонного блока "Персей"

Средняя ракета Ангара-A3 пока рассматривается в виде проекта, а далее мы расскажем о легких ракетах.

Легкие ракеты семейства "Ангара"

Летная история легкой "Ангары" началась в Южной Корее. Где в январе 2013 году с третьей попытки был выведен первый южнокорейский искусственный спутник Земли весом немногим более 100 кг. Произошло это на месяц позже выведения первого северокорейского спутника Кванмёнсон-3, который был запущен собственными силами на конверсионной ракете Ынха-3.

"Южная" ракета тоже считалась корейской и называлась Hapo-1, но в самом деле это была "Ангара". Почти вся она состояла из УРМ-1 производства ЦИХа и только под маленьким головным обтекателем находилась небольшая корейская твердотопливная ступень.

Легкая одноступенчатая ракета Ангара-1.1

В российской линейке "Ангара" РН Hapo-1 соответствует РН Ангара-1.1 - самая младшая, фактически одноступенчатая ракета. Только вместо твердотопливной верхней ступени там применяется облегченный разгонный блок Бриз-КС, который обеспечивает довыведение спутников на околоземную орбиту после того, как основную работу по разгону до космической скорости выполнит первая ступень.

Разгонные блоки находятся под головным обтекателем ракеты (ГО) и относятся к понятию космической головной части (КГЧ). В отличие от ракеты-носителя космического назначения (РКН), состоящей из ракетных ступеней - обычно их две или три, но бывают и одноступенчатые РКН.

Разгонный блок Бриз-КС мыслится, как облегченный на 600 кг вариант РБ Бриз-КМ для легкой конверсионной РН "Рокот", которая обладает аналогичной полезной нагрузкой. Облегчение блока достигается за счет снижения массы конструкции до ~1 тонны при той же заправке топлива НДМГ-АТ, составляющей ~5 тонн.

Высокая эффективность РД на жидком топливе, удельный импульс тяги которого составляет 328.6с, позволяет довести выводимую ПН до 2 тонн на низкой околоземной орбите высотой 200 км.

Легкая двухступенчатая ракета Ангара-1.2

Одноступенчатые ракеты все же характеризуются невысоким массовым совершенством - отношением полезной нагрузки Мпг к стартовой массе Мст. Поэтому одноступенчатая "Ангара" пока остается проектом, а летает двухступенчатая Ангара-1.2.

Ракетный двигатель РД-0124
*(фото КБХА)*

Вторая ступень Ангары-1.2 по своим характеристикам примерно соответствует блоку "И" ракет-носителей Союз-2.1б и Союз-2.1в. Она выполнена на самом эффективном ракетном двигателе РД-0124А, удельный импульс тяги которого составляет 359с в вакууме. Поскольку данный РД рассчитан на однократное включение, то РКН дополнена блоком выведения с малым запасом топлива в 600 кг, задачей которого является окончательное формирование целевой орбиты.

Блок выведения Ангары-1.2 называется агрегатным модулем (АМ) и оформлен в виде конусообразного переходника для установки спутника. На котором находится "мозг" всей ракеты (ее система управления и прочее оборудование), ДУ малой тяги и баки с топливом. После формирования целевой орбиты АМ сводится с орбиты и затапливается.

Низкая околоземная орбита высотой 200 км не имеет самостоятельной ценности, поскольку спутники на ней существуют примерно неделю, а затем сходят с орбиты из-за торможения в верхних слоях атмосферы. Что касается более высоких орбит, то выведение к ним выгоднее осуществлять с промежуточной эллиптической орбиты с помощью т.н. апогейного импульса. Выдача апогейного импульса - это и есть основная задача блока выведения, который также может участвовать в формировании промежуточной орбиты, выполняя довыведение. А также он разводит спутники друг от друга, если их несколько.

Ангара-1.2, при небольшом увеличении стартовой массы по сравнению с Ангарой-1.1, выводит на низкую орбиту до 3.5 тонн полезного груза. А на более высокие солнечно-синхронные орбиты (ССО) - до 2.4 тонны. Первый испытательный полет этой легкой ракеты состоялся 29 апреля 2022 года, и он же стал первым полетом "Ангары", в котором выводилась реальная полезная нагрузка. Об этом историческом для российской космонавтики запуске написано в нашей заметке:
Первый запуск ракеты-носителя "Ангара" со спутником Земли

Перспективные многоразовые ракеты

Концепция ракеты-носителя "Ангара" создавалась в конце 90-х годов XX века, когда необходимость в переходе от одноразовых к многоразовым ракетам не ощущалась. Советские ракеты-носители были лучшими в мире, и конкурентов у них не было. Поэтому и "Ангара" построена по принципу одноразового применения всех ракетных ступеней.

Тем не менее, еще в 2001 году, задолго до первых полетов "Ангары", на авиасалоне МАКС показали макет многоразового ракетного ускорителя (МРУ) "Байкал" - совместный проект ГКНПЦ им. Хруничева и НПО "Молния".

Проект многоразового ракетного ускорителя "Байкал"

Интересная игра букв УРМ - МРУ не случайна. МРУ "Байкал" является развитием идеи УРМ-1 Ангары. Ракетный блок длиной 28 метров оборудуется поворотным крылом размахом 17.1 метра, хвостовым оперением и расположенным спереди турбореактивным двигателем (ТРД) РД-33 тягой 5 тс. Самолетное оснащение обеспечивает возможность полета со скоростью 490 км/час на дальность до 410 км для возвращения на аэродром.

ТРД включается в работу после выработки запаса ракетного топлива, разворачивания крыльев и перехода МРУ в режим планирующего полета. Расход горючего (керосина) на возвращение МРУ составляет всего 2.9 тонны. Посадка МРУ "Байкал" осуществляется в автоматическом режиме на шасси со скоростью 280 км/час.

Как отмечают в "Роскосмосе", самолетное возвращение на аэродром позволяет избежать сложностей с эвакуацией ступени из необжитых мест. Для условий России это подходит больше, чем известная американская схема с вертикальной посадкой на ракетных двигателях.

Интересно, что у легкой "Ангары" тоже есть аэродинамические рули - но они маленькие и предназначены не для возвращения ракеты, а только для управления ею по каналу крена - предотвращения продольного вращения ракеты из-за возникающих моментов.

Выбранная схема возвращения первой ступени требует наличия полноценной второй ступени. Вариант легкой ракеты с одним МРУ назван Ангара-Байкал A1-В (возвращаемая). Вторая ступень увеличена по сравнению с аналогичной ступенью Ангары-1.2 и весит около 36 тонн. Скорость при разделении ступеней составляет 1919 м/с (5.64 чисел Маха), а выводимая полезная нагрузка - 1.9 тонны, как у Ангары-1.1. Возвращение второй ступени не предусматривается, поскольку ее оснащение средствами возвращения приведет к значительному сокращению полезной нагрузки и сделает ракету в целом нерентабельной.

Применение многоразового ускорителя "Байкал" обеспечивает всеазимутальность запуска, поскольку исключен необходимость в выделении специальных районов падения первой ступени. Сама первая ступень может использоваться до 10 раз (таков ресурс РД-191), в перспективе - до 25 раз.

Более тяжелые ракеты с двумя и четырьмя МРУ будут использовать типовые керосиновые УРМ-1 в качестве ЦБ и УРМ-2 в качестве верхней ступени. Они будут выводить соответственно 9.3 и 18.4 тонны, заменяя ракеты-носители линейки "Союз" - Союз-2 и Союз-5. Вариант с водородной верхней ступенью выходит в тяжелый класс.

Справочная информация по ракетам-носителям Ангара-1.1, Ангара-1.2 и Ангара-Байкал A1-В

характеристики		Ангара 1.1	Ангара 1.2	Ангара A1-В
1 ступень
РД		РД-191
тяга	земная	196 тс
тяга	высотная	212.6 тс
удельный импульс тяги	земной	311.5 с
удельный импульс тяги	высотный	337.4 с
горючее		керосин
окислитель		жидкий кислород
запас топлива		128.16 т		109.7 т
масса ступени		9.45 т	9.81 т*	17.8 т
2 ступень
РД		-	РД-0124А
тяга			30 тс
удельный импульс тяги			359 с
горючее			керосин
окислитель			жидкий кислород
запас топлива			23 т	32.2 т
масса ступени			2.7 т	3.7 т
разгонный блок/блок выведения
тип		Бриз-КС	АМ
тяга		2 тс	160 кгс
удельный импульс тяги		328.6 с	302 с
горючее		НДМГ
окислитель		AT
запас топлива		~5 т	600 кг
масса блока		~1 т	650 кг
характеристики РH
стартовая масса		149 т	171 т	168.9 т
длина		34.9 м	41.5 м	-
диаметр		2.9 м	2.9 м	-
ПН на НОО, Плесецк		2 т	3.5 т	1.9 т
ПН на ССО, Плесецк		-	2.4 т	-

* включая переходный отсек между 1 и 2 ступенями

Таблица составлена на основе информации из открытых источников.

Проект легкой многоразовой ракеты Крыло-СВ

Работа над крылатой ракетной ступенью выполняется в экспериментальном конструкторском бюро им. Бартини, где создается дозвуковой демонстратор длиной 6 метров и диаметром 0.8 метра. Начать его испытания обещали очень скоро - уже в 2022 году. Это срок определен на сайте Фонда перспективных исследований, который поддерживает проект.

Что касается планируемой гиперзвуковой многоразовой cтупени Крыло-СВ, то она будет в три раза больше демонстратора (но меньше МРУ "Байкал") и будет разгоняться до скорости около 2042 м/c (6 чисел Маха). Разделение ступеней проводится на высоте 59-66 км. Одноразовая вторая ступень обеспечит вывод на солнечно-синхронную орбиту спутника массой до 600 кг. Другие параметры новой РКН будут уточняться по мере разработки, поскольку сейчас ее создатели заняты отработкой авиационной части - их нынешний демонстратор в большей степени походит на крылатую, а не космическую ракету. Это важно для подтверждения принципиальной реализуемости проекта.

Также ожидается, что космическое Крыло-СВ не будет использовать дорогие и мощные ракетные двигатели РД-191, а вместо этого перейдет на метановое горючее c применением вновь создаваемых РД "Вихрь" с ЭНА (электронасосным агрегатом), как в новозеландской РН сверхмалого класса "Электрон".

Применение ЭНА вместо ТНА позволит упростить и удешевить разработку ракетного двигателя, цикл создания и испытаний которого обычно занимает около 10 лет, при условии приоритетного финансирования. Поэтому не исключено, что "Вихрь" станет первым российским метановым РД, который перейдет от стадии макета к практическим летно-конструкторским испытаниям. Но в любом случае, проект Крыло-СВ не рассчитан на немедленное воплощение, а в 20-годах и дальше основой ракетно-космических сил России будет одноразовая "Ангара".

Преимуществом будущей легкой космической ракеты станет возможность запуска с мобильной пусковой установки вместо стационарного космодрома с выделенными полями падения. Все, что ей будет нужно - это находящая где-нибудь поблизости, как рояль в кустах, заправочная станция КРТ - компонент ракетного топлива. Малое время подготовки к старту позволит оперативно выводить спутники различного назначения.

РН Крыло-СВ в наибольшей степени соответствует концепции "космического грузовика", способного оперативно доставлять различные грузы на околоземную орбиту. По своей грузоподъемности она примерно соответствует легковому пикапу, а по своей массе - небольшому БелАЗу-7555H или большому КамАЗу-65807. Это довольно необычно - возить европаллеты на карьерном самосвале? Но зато ракета космического назначения может облететь всю землю на одной заправке ракетным топливом, этим и объясняется ее большая масса. Попробуйте объехать шарик на своем крутом внедорожнике - сколько бензина придется залить и истратить по дороге? Около 10 тонн, правильно? Ракета Крыло-СВ берет для своего кругосветного полета примерно в 3 раза больше горючего, остальное - жидкий кислород.

Перспективы РКН легкого класса

Ракеты-носители легкого класса формируют новый сегмент рынка пусковых услуг. Сейчас они вторичны по отношению к средним и тяжелым ракетам, используют их решения и запускаются со стационарных космодромов. Причем - являясь там не очень желанными гостями, поскольку не обладают свойством увода от старта при отказе маршевого ракетного двигателя. Возможная авария это вроде бы небольшой ракеты на старте приводит к разрушению дорогостоящего стартового сооружения.

Но уже запланирован переход к использованию легких мобильных пусковых установок и оснащению первых, наиболее дорогостоящих ступеней ракет средствами возвращения и повторного использования. В то время как российские средние и тяжелые ракеты еще долго будет оставаться одноразовыми из-за необходимости их длительного освоения. Многоразовость сделает легкие ракеты экономически эффективными, а совершенствование элементной базы спутников сделает их подходящими для запуска с помощью этой категории средств выведения.

Открывает перспективу такого развития - российская модульная "Ангара", создателей которой многие критикуют за то, что они залезли в перенаселенный легкий класс и упустили из виду опустевший сверхтяжелый класс. В результате чего Россия не имеет и вряд ли когда-либо сможет создать недорогой аналог советской "Энергии". Что же, не будем пока задаваться вопросом о том, какой космический "грузовик" нам более всего нужен - легкий на 500 кг или сверхтяжелый на 500 тонн. Вместо этого посмотрим, как пойдет развитие в выбранном ЦИХом направлении к легкому классу и что оно нам даст в будущем.

Модернизация ракет семейства "Ангара"

Ближайший шаг в совершенствовании ракет семейства "Ангара" состоит в переходе к более мощному ракетному двигателю РД-191М, тяга которого увеличивается на 10% - до 217.4 тонн на уровне моря и 234 тонн в вакууме при сохранении и даже улучшении прочих рекордных характеристик.

Для модернизированного двигателя РД-191М создается новая камера сгорания с увеличенным критическим сечением сопла, что можно сравнить с увеличением объема двигателя автомобиля, как в новом 1.8л моторе ВАЗ-21179 по сравнению с 1.6л мотором ВАЗ-21129.

Увеличение тяги маршевых РД приведет к значительному, порядка 5-10%, увеличению полезной нагрузки всех ракет линейки "Ангара" за счет сокращения гравитационных потерь. А также появится возможность использовать перспективную водородную ступень УРМ-3В, чтобы довести стартовую массу тяжелой ракеты до 820 тонн и ее полезную нагрузку Мпг до 38 тонн на низкой орбите и 15 тонн на отлетной траектории к Луне. Еще более интересные перспективы открывает дальнейшее увеличение водородной ступени "Ангары" при использовании более легких МРУ "Байкал", но это тема для отдельного разговора.

Захотели освоить КамАЗ или УАЗ, чтобы отправиться на нем в кругосветное путешествие? Пока еще нельзя приобрести космическое транспортное средство или хотя бы летающий автомобиль для более быстрого передвижения? Пожалуйте на Автомалиновку, где можно выгодно и недорого купить КамАЗ для его повторного использования и еще дешевле купить автомобиль УАЗ. А может быть, для кругосветки лучше подойдет экономичный автодом ВАЗ?

Сокращения:
РД - ракетный двигатель
РН - ракета-носитель
РБ - разгонный блок
АМ - агрегатный модуль
ПН - полезная нагрузка
ГО - головной обтекатель
УРМ - универсальный ракетный модуль
МРУ - многоразовый ракетный ускоритель
ТРД - турбореактивный двигатель
РКН - ракета космического назначения
КГЧ - космическая головная часть
КРТ - компоненты ракетного топлива
ТНА - турбонасосный агрегат
ЭНА - электронасосный агрегат
НОО - низкая околоземная орбита
ССО - солнечно-синхронная орбита
ГПО - геопереходная орбита
ГСО - геостационартная орбита