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.

Содержание

1. Советский легкий класс
2. Легкая ракета-носитель Союз-2.1в
3. Блок выведения "Волга"
4. Маршевые ракетные двигатели Союза-2.1в

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

характеристики		Союз 2.1а	Союз 2.1б	Союз 2.1в
боковые блоки Б, В, Г, Д
РД		РД-107А		-
тяга	земная	85.6 тс
	высотная	104 тс
удельный импульс тяги	земной	263.3 c
	высотный	320.2 c
горючее		керосин
окислитель		жидкий кислород
центральный блок А
РД		РД-108А		НК-33А РД-0110Р
тяга	земная	80.8 тс		180 тс
	высотная	94 тс		200 тс
удельный импульс тяги	земной	257.7 c		296 c
	высотный	320.6 c		330 c
горючее		керосин
окислитель		жидкий кислород
верхняя ступень (блок И)
РД		РД-0110	РД-0124
тяга		30.38 тс	30 тс
удельный импульс тяги		326 с	359 с
горючее		керосин
окислитель		жидкий кислород
запас топлива		25400 кг
блок выведения
тип		Фрегат-М		Волга
тяга		2030 кгс		300 кгс
удельный импульс тяги		333.2 с		307 с
горючее		НДМГ
окислитель		AT
запас топлива		5250, 5750, 7100 кг		300-900 кг
сухая масса блока		930, 960, 1050 кг		840 кг
характеристики РH
стартовая масса		308-314 т		160 т
стартовая тяга		423.2 тс		180 тс
длина		46.3 м		44 м
диаметр		10.3 м		3 м
ПН на НОО, Плесецк		7.0 т	7.85 т	2.8 т
ПН на ССО, Плесецк		4.6 т	4.9 т	1.4 т

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