Метановая ракета-носитель впервые достигла космоса
Старт ракеты-носителя Чжуцюэ-2
Метан считается перспективным видом ракетного горючего, которое снизит стоимость выведения на околоземную орбиту и сделает ее доступной для частных лиц, как сейчас поездки на автомобиле или полеты на самолете. Освоением метана занимается множество американских частных компаний, японское, европейское и российское космические агентства - прочитать про ожидаемые преимущества метана и предлагаемые решения можно в нашей большой обзорной статье: Метановые ракетные двигатели и многоразовые космолеты
Работы по созданию метановых ракетных двигателей (РД) и использующих это горючее ракет-носителей (РН) ведутся на протяжении десятков лет. Тем более удивителен успех китайской компании LandSpace, которая всего за несколько лет работы создала и первой запустила в космос свою метановую ракету-носитель Чжуцюэ-2.
Компания LandSpace
Компания LandSpace основана в 2015 году университетом Цинхуа. По-китайски компания называется Ланьцзянь - "синяя молния", а ее ракеты получили название Чжуцюэ - "красная птица". Первая ракета Чжуцюэ-1 (ZQ-1, в просторечии Зюк-1) была выполнена на твердом ракетном топливе и стала первой РН, запущенной в космос китайской частной компанией. Полет 27 октября 2018 года завершился неудачей на этапе работы третьей ступени - ракета и спутник Вэйлай-1 побывали в космосе, но после непродолжительного суборбитального полета вошли в атмосферу Земли и там сгорели.
LandSpace не стала продолжать работу над учебным твердотопливным проектом, а вместо этого перешла к созданию метановой ракеты ZQ-2, чтобы принять участие в мировой технологической гонке.
Ракета-носитель Чжуцюэ-2 (Zhuque-2, ZQ-2)
Ракета-носитель Чжуцюэ-2 (ZQ-2, "Красная птица") относится к легкому классу. Топливом ракеты является двухкомпонентный металокс - жидкий метан (LCH4) и жидкий кислород (LOX). Длина ракеты, состоящей из двух ступеней и головного обтекателя, составляет 49.5 метра, а диаметр - 3.35 метра, как у государственных ракет CZ-2. На рисунке она изображена между отмененной ZQ-1 и перспективной трехступенчатой ZQ-2A.
Ракеты-носители ZQ-1, ZQ-2 и ZQ-2A
Проектная полезная нагрузка (ПН) ZQ-2 составляет 4 тонны на низкой околоземной орбите (НОО) высотой 200 км или 1.8 тонны на солнечно-синхронной орбите (ССО) высотой 500 км. Эти параметры, с необходимой поправкой на широту космодрома, примерно соответствуют характеристикам российской РН Ангара-1.2: Первый запуск ракеты-носителя "Ангара" со спутником Земли
И выглядит китайская ракета похоже, только толще и длиннее "Ангары", что определяется меньшей плотностью метана по сравнению керосином.
Ракета-носитель Чжуцюэ-2 (ZQ-2)
Ракетные двигатели "Тяньцюэ" (Tianque, TQ)
РН Чжуцюэ-2 не только больше "Ангары", но на четверть тяжелее - ее стартовая масса составляет 216 тонн. Для нее разработаны метановые РД двух видов, получивших название Тяньцюэ - "небесная сорока". В английской транскрипции - Tianque, сокращенно TQ. Первую ступень поднимают четыре РД TQ-12 тягой по 67 тонн каждый, суммарно 268 тонн. Вторую ступень приводит в движение один РД TQ-12 с высотным соплом, поднимающим тягу до 80 тонн и четырехкамерный рулевой РД TQ-11 с тягой 8.16 тонн.
Обращает на себя внимание низкая стартовая тяга ракеты китайской ракеты - она составляет всего 124% от стартовой массы, что не обеспечивает увод ракеты от стартового стола при отказе одного из четырех двигателей первой ступени. По этому важному вопросу в LandSpace уже испытан усовершенствованный РД TQ-12A, обладающий на 9% большей тягой - что как раз обеспечивает необходимый запас тяги для увода. Регулирование тяги TQ-12A будет производиться в пределах 50-110%.
Также планируется отказ от рулевого РД TQ-11 за счет нового высотного РД TQ-15A, унифицированного по агрегатам с TQ-12A. Новый РД обладает тягой 85.25 тс, которая регулируется в пределах 55-110%. Для управления ступенью по каналам тангажа и рыскания применяется аппарат качания, а управление по каналу крена и точное задание конечной скорости выполняется с помощью малого РД "Юньцюэ" YQ-10, работающего на однокомпонентном топливе - гидразине. Экономия массы второй ступени за счет отказа от рулевого РД TQ-11 составит 400 кг, которые пойдут на увеличение ПН. А также РД TQ-15A допускает трехкратное включение для оптимизации выведения спутников на высокие орбиты. В перспективе (в будущей трехступенчатой ZQ-2A) планируется довести ПН до 6 тонн.
Метановые РД, созданные в LandSpace, имеют невысокие параметры эффективности - они уступают керосиновым РД "Ангары" и едва превосходят керосиновые РД известной американской ракеты Falcon-9. Удельный импульс (УИ) РД TQ-12 первой ступени составляет 284.5с на Земле и 322c в вакууме, второй ступени с вакуумным соплом - 337c. В то время как метановые РД, по теории, должны обеспечивать на 5% больший УИ, чем керосиновые и в таком же процентом соотношении экономить ракетное топливо. В будущих РД "Тяньцюэ" УИ будет увеличен - у ZQ-12A на 4с, у ZQ-15A на 13с.
Тест ракетного двигателя "Тяньцюэ"
Проигрывая в эффективности, РД "Тяньцюэ" обладают важным преимуществом. Оно состоит в простоте применяемой открытой схемы и невысоком давлении в камере сгорания (около 100 атм), что облегчает создание РД и способствует его надежной работе. Программа наземных испытаний маршевых РД TQ-12 составила более 20 тыс. секунд. Рекорд продолжительности испытаний одного РД составил 3357 секунд - этого времени хватает на 20 запусков РН ZQ-2, во время которых РД TQ-12 работает примерно 150 секунд. Насколько можно судить по скупым сообщениям о результатах конкурентов, "Тяньцюэ" отработан лучше всех испытывавшихся в мире метановых РД.
Первое испытание ракеты-носителя Чжуцюэ-2 (ZQ-2)
Успешная отработка метановых РД позволила провести первый в мире испытательный запуск метановой РН, который состоялся 14 декабря 2022 года в 8:30 по гринвичскому времени. Чжуцюэ-2 стартовала с космодрома Цзюцюань на северо-западе КНР, направляясь к ССО наклонением 97.6 градусов и высотой около 550 км. На орбиту предполагалось доставить, по неофициальным данным, 14 частных коммерческих спутников.
Первая ступень РН отработала штатно, а работа второй ступени продолжалась до планового отключения маршевого РД TQ-12, после чего полет должен был продолжаться на рулевом РД TQ-11. К сожалению, РД TQ-11 отключился вместе с маршевым и выведение не состоялось. Достигнутая скорость составила около 5.4 км/c - на 30% меньше необходимых для заданной круговой орбиты 7.6 км/с. Двигаясь по суборбитальной траектории, ракета поднялась на высоту около 400 км, затем пошла на снижение и на гиперзвуковой скорости вошла в полные слои атмосферы вместе со своими спутниками, где разрушилась. Остатки ракеты, стартовавшей с космодрома на юг, упали в Индийский океан около берегов Индии.
Выведение ракеты-носителя Чжуцюэ-2 (ZQ-2)
На графике в правой нижней части изображены три участка выведения РН Чжуцюэ-2:
Полет на маршевых РД TQ-12 первой ступени (состоялся)
Полет с маршевом TQ-12 и рулевой РД TQ-11 второй ступени (состоялся)
Выведение на рулевом РД TQ-11 второй ступени (не состоялось)
На графиках в правом верхнем углу (слева направо и сверху вниз) видны:
давление на входе в камеру маршевого РД TQ-12 2-й ступени,
частота вращения турбины маршевого РД TQ-12 2-й ступени,
частота вращения турбины рулевого РД TQ-11 2-й ступени.
Несмотря на неудачу, Чжуцюэ-2 стала первой в мире ракетой космического назначения, достигшей космоса (высота 100 км над линией Кармана - условной границей земной атмосферы). При этом главный приз "метановой гонки" - первое успешное выведение на околоземную орбиту пока остался не взятым, и в самом скором будущем увидим продолжение соревнования за него.
Конкуренты Чжуцюэ-2
В январе 2023 года планируется первый испытательный запуск легкой РН Terran-1, созданной американской компанией Relativity Space. Ракета Terran-1 предназначена для доставки на орбиту спутников весом до 1.25 тонн и при успехе запуска станет первой вышедшей на орбиту метановой ракетой.
Что касается распиаренного на всю планету "Старшипа", то это проект тормозит из-за своих ракетных двигателей "Раптор". Амбициозный РД, созданный по схеме "газ-газ", на два поколения опережает простые китайские РД TQ-12. Он призван поставить точку в гонке эффективности углеводородных РД, подняв их УИ на недосягаемую для конкурентов высоту - 380с, но нуждается в серьезной отработке.
К настоящему времена "Старшип" совершил полеты на высоту около 10 на трех двигателях "Раптор" в одноступенчатой конфигурации, непригодной для полетов на орбиту: Полет "Старшипа" к Марсу с возвращением на десятом километре
Этот смешной по космическим меркам результат некоторое время был рекордным для ракеты с метановыми РД. В июле 2022 года он был перекрыт японской метеорологической ракетой S-520, поднявшейся в космос на высоту 168 км.
Что касается выхода на орбиту, то для этого "Старшипу" потребуется не 3, а 37 РД Raptor-2. Создателям метановой супер-ракеты предстоит обеспечить их надежную работу, что пока не удается. В настоящее время SpaceX осуществляет наземные прожиги первой ступени "Суперхэви", в процессе которых вышедшие из строя РД заменяются на вновь производимые.
Соперничество Америки и Китая в космосе
"Метановая гонка" между американскими и китайскими частными космическими компаниями дополняется увлекательным соперничеством национальных космических агентств в дорогостоящей, но престижной "лунной гонке".
Четырехместный "Орион", созданный в сотрудничестве НАСА и ЕКА, побывал на окололунной орбите и вернулся на Землю. На 2024 год американцами намечен первый пилотируемый облет Луны и запуск на окололунную орбиту базовых модулей лунной орбитальной станции LOP-G, к которой будут летать "Орионы".
Что касается китайского агентства космических исследований CNSA, то у него пока нет ракеты-носителя сверхтяжелого класса, требуемой для полетов людей к Луне. Но оно форсируют ее создание к концу 20-х годов. И уже отработало в автоматическом режиме сложнейшую экспедицию по схеме Кондратюка с высадкой на поверхность Луны и стыковкой на окололунной орбите: Лунная станция Чанъэ-5 - предвестник будущей пилотируемой экспедиции
20-годы XXI века становятся временем двух увлекательных космических гонок, в ходе которых изменится весь облик мировой космонавтики!
