Создав аэрокосмический ракетный комплекс UAirlaunch, Украина вернется в элитный клуб космических стран

Автор: М. Дегтярев, А. Кондратюк, А. Лёвин, А. Вовнянко, Н. Тепан

Освоение космического пространства началось сравнительно недавно – в конце 1950-х - начале 1960-х с запуска первого спутника и космонавта Ю.А. Гагарина Советским Союзом. А дальше началось соревнование между СССР и США, где каждый стремился показать преимущество своих инженерных и научных школ, технических решений и подходов. В основном запуски, включая пилотируемые, производились в военных и политических целях.

В последнее десятилетие освоение космического пространства осуществляется гигантскими темпами (более 1000 космических аппаратов ежегодно) в коммерческих, военных и в научных целях. Мало того, идет последовательная работа, направленная на изучение планет солнечной системы и, в первую очередь, Луны и Марса. Необходимо отметить, что в современной истории все большую роль начинают играть частные компании, созданные выдающимися представителями современности, такими как Илон Маск, Джозеф Безос, Ричард Бренсон и другие. И если раньше государства тратили колоссальные бюджетные средства на создание космических технологий для подтверждения собственного превосходства и лидерства, то коммерческий космос требует другого подхода, а именно значительного снижения стоимости пуска при сохранении и наращивании темпов создания новых ракетно-космических технологий.

Советский Союз наравне с США были на первых позициях в мире по баллистическим ракетам оборонного назначения и пилотируемым пускам, поочередно "отвоевывая" друг у друга пальму первенства. Огромную роль в создании "ракетно-ядерного щита" СССР сыграли разработки конструкторского бюро "Южное" и серийного завода "ЮМЗ" в Украине. Созданный ими стратегический ракетный комплекс Р36М, получивший на Западе название "Сатана", не имел аналогов в мире, по уровню технического совершенства и достигнутым тактико-техническим характеристикам. Одновременно развивалось и направление мирного освоения космического пространства, венцом которого стала ракета-носитель "Зенит". Запуски этой ракеты проводились с космодрома "Байконур", также на базе этой ракеты был создан международный проект "Морской старт", в рамках которого запуски выполнялись со специальной океанской платформы из приэкваториальных районов Тихого океана.

В настоящее время количество стран, освоивших ракетные технологии значительно увеличилось - это Европа, Китай, Индия и другие. Многие страны стремятся попасть в этот элитный клуб и вкладывают значительные средства в создание ракетных технологий. Даже такая маленькая страна, как Новая Зеландия, запускает ракеты "Электрон" в космическое пространство.

В 1990-х годах в Украине началась разработка различных авиационно-космических систем на базе самолетов Ан-225 и Ан-124 (см. "Самолет Ан-225 "МРІЯ" - несбывшаяся мечта"). Одной из таких систем был украинский проект "Світязь", в котором предусматривался запуск модифицированной ракеты "Зенит" с самолета Ан-225. Преимущества таких систем в том, что первая ступень – самолет многократного использования, это принципиально то же решение, к которому пришел Илон Маск 20 лет спустя возвращая первые ступени ракет для повторного использования.

Авиационно-космические системы позволяют снизить стоимость пуска, что очень важно в коммерческих проектах и, главное, что для них не нужен сложный и дорогостоящий космодром, как например "Байконур". Кроме того, пуски можно производить в различных точках земного шара, что позволяет в первую очередь решить вопросы безопасности (расположение трассы полета вне населенных территорий, что крайне актуально для Украины) и оптимизировать массу выводимой полезной нагрузки. В связи с тем, что создание новой электронной элементной базы ведется стремительными шагами (это можно увидеть в быту на примере смартфонов) то масса и размеры спутников значительно уменьшаются и их можно выводить на околоземную орбиту небольшими ракетами.

Для примера рассмотрим две авиационно-космические системы, созданные в США. Первая "Pegasus" была создана еще в 1990 году, но не получила широкого применения из-за высокой стоимости пуска более 40-50 млн долларов.

Самолет L-1011 c ракетой "Pegasus"

В конце 1980-х годов один из авторов предлагал компании "Orbital Sciences Corporation" из США компоновку их ракеты "Pegasus" на пилоне сбоку фюзеляжа самолета Ан-124. Но, оценив актуальные на тот момент риски, прежде всего политические, американцы остановились на самолете L-1011 фирмы Локхид.

Второй проект Р. Брэнсона "LauncherOne" созданный совсем недавно в 2021 году совершил успешный испытательный пуск и вывел на орбиту 10 спутников. В данном проекте ракета подвешивается под крылом самолета между фюзеляжем и внутренним двигателем модифицированного самолета В-747-400. Заявляемая разработчиком стоимость пуска здесь составляет около 12 млн долларов.

Старт ракеты с модифицированного самолета В-747-400

Создание подобного класса авиационно-космических систем на базе самолета Ил-76 проводилось и в Украине, например, проект "Мальва", но дальше создания рекламных буклетов дело не шло. Дело в том, что десантирование таких ракет предусматривалось проводить из грузовой кабины самолета Ил-76. Работы, проведенные А. Вовнянко и И. Сердюком в конце 1980-х годов показали, что невозможно безопасно десантировать длинную ракету (20 метров) из-за воздушных вихрей, которые образуются в задней части самолета. Вторым отрицательным фактором при десантировании ракеты из грузовой кабины самолета являются ее габариты и в особенности хвостовое оперение сопоставимое с поперечными габаритами грузовой кабины. Разместить ракету на пилоне под крылом невозможно из-за огромных нагрузок на крыло Ил-76 да, к тому же, ракету надо расположить ближе к земле, чтобы в процессе отделения она не задела двигатель или обтекатель шасси. А размещение ракеты на пилоне на уровне обтекателя шасси позволяет избежать нежелательных контактов. Сейчас самолет Ил-76 принят в качестве основного варианта для его доработки с целью создания самолета-носителя при реализации украинского проекта "Аэрокосмический ракетный комплекс UAirlaunch".

Размещение РН на самолете-носителе Ил-76Т(ТД)

Вы спросите, а почему взят самолет Ил-76, а не украинские самолеты ОКБ О.К. Антонова. Объясняем. Конечно, можно было бы использовать самолет Ан-124-100, но, чтобы приобрести такой самолет, модернизировать его и модифицировать под установку оборудования для пуска ракеты необходимо около 100 млн. долларов, что сопоставимо со стоимостью всего проекта. Да и затраты на выполнение пуска существенно возрастут, что негативно скажется на конкурентноспособности проекта. Кроме того, самолетов Ан-124-100 на вторичном рынке нет, а новые уже давно не строятся. Можно было бы рассматривать самолет Ан-70, но огромные винты не позволяют разместить ракету сбоку фюзеляжа. На модификации этого самолета Ан-188 с турбовентиляторными двигателями можно реализовать этот проект, но завершение создания такого самолета, постройка и сертификация обойдется уже около 1 млрд. долларов.

А самолеты Ил-76 широко используются в Украине и гражданскими и военными. Цена и стоимость их эксплуатации сравнительно невысокая. Этот тяжелый транспортный самолет давно зарекомендовал себя как надежный с большими транспортными возможностями. Созданный еще в СССР, он совершил первый взлет 50 лет тому назад. В настоящее время модификация этого самолета Ил-476 серийно строится в России.

КБ "Южное" известно далеко за пределами Украины, поэтому предоставим сведения о УРАРП. Это украинский разработчик, авиационное и реновационное предприятие с собственной хорошо развитой современной инфраструктурой, с соответствующей технической и разрешительной документацией, высококвалифицированными специалистами для осуществления всех видов ремонта, технического обслуживания и продления ресурса самолетов ИЛ-76Т(ТД), а также текущего и капитального ремонта двигателей Д30КП (КП-2). Для того, чтобы соответствовать современным требованиям, предприятие тесно сотрудничает с ведущими научно-исследовательскими учреждениями и организациями Украины, в частности Государственным научно-исследовательским институтом авиации, Украинским научно-исследовательским институтом авиационной технологии и др.

Поэтому УРАРП не нужно согласовывать проведение указанных работ с разработчиком самолета авиационным комплексом им. С.В. Илюшина. Кстати в России такая же ситуация со всеми типами самолетов ОКБ О.К. Антонова, продление ресурса там проводят институты и Госавиаслужба. В частности, авиакомпания "Волга-Днепр" получила сертификат и самостоятельно без ГП "Антонов" проводит продление ресурсов и модернизацию самолетов Ан-124-100.

Самолеты Ил-76Т(ТД), которые имеются в собственности концерна "Титан", имеют небольшой налет (несколько тысяч летных часов) и построенные в конце 1980-х годов. На сегодняшний день этому самолету установлен ресурс 35000 летных часов и 40 лет. Самолет Ил-76 сделан очень добротно, собственно, как и все самолеты ОКБ С.В. Илюшина и он еще будет продолжать эксплуатироваться несколько десятков лет. Например, в США для самолета В-52 продлена эксплуатация до 100 лет, а сверхтяжелого военно-транспортного самолета С-5А и С-5В до 70 лет.

Для реализации украинского проекта Аэрокосмический ракетный комплекс UAirlaunch требуется сравнительно небольшая сумма денег (значительно меньше, чем аналогичные зарубежные системы). По предварительным оценкам затраты на создание авиационного космического ракетного комплекса составят ~ 100 млн долларов.

Рассматриваемый ракетный комплекс UAirlaunch потенциально будет способен обеспечить выведение всех украинских космических аппаратов, создаваемых для решения различных национальных задач. Кроме того, принимая во внимание актуальные тенденции на рынке выведения малых космических аппаратов в космическое пространство – постоянный рост коммерческого спроса на такие услуги, такой проект может быть коммерчески успешным при грамотной маркетинговой политике и государственной поддержке.

Учитывая, что указанная система создается прежде всего в интересах государства, оптимальной схемой финансирования создания такого комплекса представляется государственно-частное партнерство, когда выделяется необходимое бюджетное финансирование проекта с одновременным привлечением частных инвестиций. В качестве головного разработчика ракеты-носителя и проекта в целом выступает ГП "КБ "Южное", в качестве разработчика самолета носителя – концерн "Титан".

Прошедшая в настоящее время в мире технологическая революция в области создания космических аппаратов, привела к существенному снижению их массы практически без потери функциональных возможностей. И если ранее запуски космических аппаратов были привилегией наиболее развитых в техническом отношении и богатых стран, то сейчас на рынке КА появилось большое количество независимых разработчиков, которые имеют возможность создавать относительно недорогие космические аппараты небольшой массы и различного назначения (для мониторинга поверхности Земли, развития коммуникаций, аппараты специального назначения, аппараты для проведения научных экспериментов, аппараты разрабатываемые в учебных целях и пр.). Минимальные массовые характеристики космических аппаратов снизились до 1 кг. При этом, учитывая появление на рынке КА огромного количества этих аппаратов, для обеспечения удобства их запуска, в мире вводятся (вначале для сверхлегких КА) требования по стандартизации их массы, габаритов, интерфейсов установки, подключения и т.д. Все это начало формировать новые требования и к разработке ракет-носителей существенно ужесточив их в части, в первую очередь, стоимости выведения одного килограмма КА и обеспечения оперативного запуска. Появление новых требований со стороны КА привело к необходимости создания соответствующего типа ракет-носителей. Аэрокосмический ракетный комплекс UAirlaunch как раз и является таким отражением реализации предъявляемых требований к РН. Конфигурация аэрокосмического ракетного комплекса принята не случайно, а на основе системного анализа возможностей самолета-носителя, создаваемого на базе Ил-а рынке пусковых услуг, системного анализа возможностей самолета-носителя, создаваемого на базе Ил-76Т(ТД) (грузоподъемность, взаимное размещение самолета-носителя и РН при пуске, обеспечение необходимых начальных условий для пуска РН, возможность доработки самолета-носителя и др.), особенностей рассматриваемой конфигурации РН (стартовая масса, масса выводимого полезного груза, геометрические размеры, компоненты топлива, маршевые двигатели, технологии изготовления и перспективы их развития и применения в других проектах и др.), а также затрат на разработку и стоимости пуска, и с учетом особенностей территориального размещения Украины.

При выборе конфигурации аэрокосмического ракетного комплекса рассматривалось несколько возможных вариантов ракет-носителей (с использованием ступеней на базе маршевых двигателей с турбонасосной системой подачи компонентов топлива, на базе гибридных двигателей, на базе двигателей с вытеснительной и электронасосной системой подачи компонентов топлива). Для всех рассматриваемых вариантов ракет-носителей характерны следующие особенности: применение нетоксичных компонентов топлива, максимальное использование композиционных материалов для изготовления элементов конструкции, включая топливные баки, применение аддитивных технологий для изготовления элементов конструкции маршевых двигателей и др. На основе проведенного комплексного анализа в качестве основного варианта выбрана ракета-носитель с условным рабочим названием "Микрон", ступени которой разрабатываются на базе маршевых двигателей с электронасосной системой подачи компонентов топлива. Ракета-носитель предназначена для выведения Полезного груза массой от 50 до 200 кг на эллиптические и круговые орбиты в т.ч. солнечно-синхронные в диапазоне высот до 1000 км. Стартовая масса РН ~ 17 тонн. Указанная грузоподъёмность ракеты-носителя соответствует требованиям по обеспечению запуска космических аппаратов, которые могут быть разработаны в Украине для мониторинга территории, в интересах министерства обороны и народного хозяйства, а также может эффективно использоваться в коммерческих целях для запуска космических аппаратов соответствующего класса, рынок которых динамично развивается и демонстрирует стабильный рост. Реализация проекта UAirlaunch откроет Украине свободный доступ в космос, который был утрачен при обретении государственной независимости и позволит быть самостоятельным игроком на рынке пусковых услуг.

Десантирование РН с самолета-носителя Ил-76Т(ТД)

Долгое время аэрокосмическая отрасль Украины жила за счет технического и технологического задела, полученного от Советского Союза. При этом на протяжении многих лет независимой Украины при разработке новых проектов использовалась ранее установившаяся кооперация предприятий по материалам и комплектующим РН. В основном, отрасль жила за счет инозаказов, в т.ч. из Российской Федерации. Ввиду известных событий 2014 года, большинство установившихся связей оборвалось, а процесс импортозамещения проходит очень болезненно ввиду практически полного прекращения государственного финансирования проектов аэрокосмической отрасли в последние годы. Ситуация еще более усугубилась в связи с распространением пандемии короновируса, что привело к резкому сокращению экономических связей с инозаказчиками. Сейчас, как никогда требуется государственная поддержка аэрокосмической отрасли Украины, поэтому проект UAirlaunch одобрен на высшем уровне и включен в соответствии с Распоряжением Кабинета Министров Украины в Перечень приоритетных для государства инвестиционных проектов до 2023 года и предложен для включения в национальную космическую программу Украины на период 2021-2025гг.

Для обеспечения разработки РН "Микрон" потребуются новейшие технологии по изготовлению крупногабаритных конструкций из полимерных композиционных материалов. Освоение и локализация в Украине собственного высокотехнологического производства по изготовлению конструкций из композиционных материалов позволит в перспективе его использовать не только для изготовления ступеней РН, но и в интересах авиационной промышленности, военно-промышленного комплекса и других отраслей народного хозяйства.

Для изготовления маршевых двигателей планируется широкое применение аддитивных технологий, которое будет способствовать снижению стоимости их изготовления и, как следствие приведет к минимизации общих затрат на разработку и эксплуатацию АКРК UAirlaunch. Двигатели ступеней РН разрабатываются на компонентах топлива жидкий кислород + керосин. Особенностью двигателей является использование высокомощных, высокооборотных электроприводов для насосов подачи компонентов топлива. В свою очередь, электроприводы для своего питания требуют установки на ступенях РН высокомощных литий-полимерных батарей.

Для управления РН в полете потребуются новые, современные системы авионики, обладающие малыми массовыми характеристиками, достаточной надежностью и функциональной способностью, разрабатываемые на новой элементной базе.

Пуски РН предполагается проводить при размещении технической базы для обеспечения интеграции полезного груза с РН, подготовки самолета-носителя и РН к пуску, как на территории Украины, так и на территории других государств. Поэтому проект предполагает тесное международное сотрудничество. Для оперативного пуска РН с заданным наклонением траектории выведения полезного груза к наземному технологическому оборудованию предъявляются требования по обеспечению его мобильности и возможности перебазирования в заданную точку размещения технической базы в минимально возможные сроки.

Таким образом, реализация аэрокосмического ракетного комплекса UAirlaunch создаст основу для технологического развития украинского производства и инженерной кооперации, обеспечит внедрение и освоение современных перспективных технологий в аэрокосмической отрасли. Наличие в Украине современных технологий позволит создавать другие международные кооперации по разработке новых или модернизации уже существующих ракетно-космических комплексов различного базирования и будет способствовать повышению имиджа Украины на международном уровне и позиционированию как высокотехнологического, обладающего современными космическими технологиями государства.

М. Дегтярев, А. Кондратюк, А. Лёвин, А. Вовнянко, Н. Тепан