기상 로켓의 우주로 : 초소형 우주 발사체 프로젝트
우주 정복은 인류의 가장 중요하고 획기적인 성과 중 하나가되었습니다. 발사체와 발사 인프라를 만드는 데는 세계 주요 국가의 엄청난 노력이 필요했습니다. 오늘날, 우주로 수십 번의 비행을 할 수있는 완전히 재사용 가능한 발사체를 만드는 경향이 있습니다. 이들의 개발 및 운영에는 여전히 막대한 자원이 필요하며 이는 주 또는 대기업에서만 할당 할 수 있습니다 (다시 말하면 주 지원을 통해).
7 년 4 월 1957 일에 처음으로 인공위성을 지구 궤도에 넣은 소련 로켓 R-XNUMX과 현재 인류가 사용할 수있는 가장 진보되고 완전히 재사용 가능한 발사체가 될 가능성이있는 미국 초 중형 로켓 BFR의 개념
XXI 세기 초, 전자 부품의 개선 및 소형화로 인해 질량이 1-100kg 범위 인 소형 위성 (소위 "마이크로 위성"및 "나 노사 텔 라이트")을 만들 수있었습니다. 최근에 우리는 "피코 사텔 라이트"(무게 100g에서 1kg까지)와 "펨토 위성"(무게 100g 미만)에 대해 이야기하고 있습니다. 이러한 위성은 다른 고객의 그룹화물로 발사되거나 "대형"우주선 (SC)에 전달되는 하중으로 발사 될 수 있습니다. 이 발사 방법은 항상 편리한 것은 아닙니다. 왜냐하면 나노 위성 제조업체 (이후에서는 초소형 우주선의 모든 차원에 대해이 지정을 사용할 것입니다)는 주요화물의 발사를 위해 고객의 일정에 적응해야하고 발사 궤도의 차이로 인해 야하기 때문입니다.
이로 인해 약 1-100kg 무게의 우주선을 발사 할 수있는 초소형 발사체에 대한 수요가 대두되었습니다.
DARPA 및 KB "MiG"
지상, 공중 및 해상 발사와 함께 초경량 발사체의 많은 프로젝트가 있었고 개발 중입니다. 특히 미국 기관인 DARPA는 초소형 우주선의 빠른 발사 문제에 적극적으로 노력하고 있습니다. 특히 2012 년에 시작된 ALASA 프로젝트는 F-15E 전투기에서 발사하고 무게가 45kg 이하인 인공위성을 LEO (Low Reference Orbit)에 넣을 수 있도록 설계된 소형 로켓을 만들 계획 인 프레임 워크 내에서 시작되었습니다.
ALASA 프로젝트
로켓에 설치된 로켓 엔진은 모노 프로필렌, 아산화 질소 및 아세틸렌을 포함한 NA-7 단일 추진 제로 작동해야했습니다. 발사 비용은 1 백만 달러를 초과하지 않았습니다. 아마도 연료 문제, 특히 자발적 연소 및 폭발 경향이이 프로젝트를 종식 시켰을 것입니다.
유사한 프로젝트가 러시아에서 진행되고있었습니다. 1997 년에 MiG 설계국은 KazKosmos (카자흐스탄)와 함께 변환 된 MiG-31I 인터셉터 (Ishim)를 사용하여 페이로드 (PN) 발사 시스템을 개발하기 시작했습니다. 이 프로젝트는 MiG-31D의 대 위성 수정을위한 기초 작업을 기반으로 개발되었습니다.
고도 약 17m, 속도 000km / h로 발사 된 3000 단 로켓은 고도 300km의 궤도에 160kg의 탑재량과 600km의 고도에서 궤도에 120kg의 탑재량을 제공 할 예정이었습니다.
90 년대 후반과 2000 년대 초 러시아의 어려운 재정 상황으로 인해 개발 과정에서 기술적 장애가 발생할 수 있지만이 프로젝트를 금속으로 실현할 수 없었습니다.
초경량 발사체에 대한 다른 많은 프로젝트가있었습니다. 그들의 구별되는 특징은 국가 구조 또는 대기업 (실질적으로 "주")에 의한 프로젝트 개발로 간주 될 수 있습니다. 전투기, 폭격기 또는 무거운 수송기와 같은 복잡하고 값 비싼 플랫폼은 종종 발사 플랫폼으로 사용되어야했습니다.
이 모든 것이 함께 개발을 복잡하게 만들고 단지의 비용을 증가 시켰으며 이제 초경량 발사체 제작의 리더십이 민간 기업의 손에 넘어갔습니다.
로켓 연구소
가장 성공적이고 가장 유명한 초경량 로켓 프로젝트 중 하나는 미국-뉴질랜드 회사 인 Rocket Lab의 "Electron"발사체로 간주 될 수 있습니다. 무게가 12550kg 인이 250 단계 로켓은 LEO로 150km의 고도를 가진 태양 동기 궤도 (SSO)로 500kg의 PS 또는 130kg의 PS를 발사 할 수 있습니다. 이 회사는 연간 최대 XNUMX 발의 미사일을 발사 할 계획입니다.
로켓의 디자인은 탄소 섬유로 만들어졌으며 액체 추진 제트 엔진 (LRE)은 등유와 산소의 연료 쌍에 사용됩니다. 설계를 단순화하고 비용을 줄이기 위해 리튬 폴리머 배터리를 전원, 공압 제어 시스템 및 압축 헬륨에서 작동하는 탱크에서 연료를 대체하는 시스템으로 사용합니다. 로켓 엔진 및 기타 로켓 구성 요소의 제조에서 적층 기술이 적극적으로 사용됩니다.
Soyuz-2.1a, Ariane-5, Falcon 9 및 Falcon HAVI 미사일의 치수와 비교 한 Electron 발사체의 치수
Rocket Lab의 첫 번째 로켓은 약 1km의 고도까지 1kg의 페이로드를 들어 올릴 수있는 Kosmos-2 기상 로켓 (마오리어로 Atea-120)이었습니다.
린 산업
Rocket Lab의 러시아 "아날로그"는 "Lin Industrial"이라는 회사로 불릴 수 있습니다.이 회사는 고도 100km에 도달 할 수있는 가장 단순한 아 궤도 로켓과 LEO 및 SSO에 탑재량을 출력하도록 설계된 발사체 프로젝트를 개발합니다.
아 궤도 미사일 (주로 기상 및 지구 물리 로켓과 같은) 시장은 고체 연료 엔진을 사용한 솔루션이 지배하고 있지만 Lin Industrial은 등유와 과산화수소로 작동하는 액체 추진 로켓 엔진을 기반으로하는 아 궤도 로켓을 구축하고 있습니다. 아마도 이것은 Lin Industrial이 발사체를 궤도로 상용 발사하는 데있어 주요 개발 방향을보고 액체 추진체 아 궤도 로켓이 기술 솔루션을 개발하는 데 사용될 가능성이 더 높기 때문입니다.
Lin Industrial 회사의 주요 프로젝트는 Taimyr 초경량 발사체입니다. 처음에이 프로젝트는 모듈이 직렬 병렬 배열 된 모듈 식 레이아웃을 제공하여 10 ~ 180kg 무게의 탑재 하중을 LEO로 출력 할 수있는 발사체를 형성 할 수 있도록했습니다. 발사 된 발사체의 최소 질량 변화는 범용 미사일 유닛 (UBR) (URB-1, URB-2, URB-3 및 2 단계 RB-XNUMX 로켓 유닛)의 수를 변경하여 보장되었습니다.
- "Taimyr-1A"-1 단계 발사체. 첫 번째 단계는 2 개의 액체 추진 엔진이있는 URB-400이고, 두 번째 단계는 ~ 3kgf의 추력을 가진 액체 추진 엔진이 하나있는 URB-2,6, 세 번째 단계는 URB-16입니다. 발사 질량은 12 톤, 길이는 XNUMXm, 저궤도의 탑재량은 XNUMXkg입니다.
- "Taimyr-1"은 1 단 발사체입니다. 첫 번째 단계는 추력이 ~ 4tf 인 LPRE가 한 개있는 URB-2이고, 두 번째 단계는 추력이 ~ 400kgf 인 LPRE가있는 URB-3, 세 번째 단계는 URB-2,6입니다. 발사 질량은 16 톤, 길이는 14m, 저궤도의 탑재량은 XNUMXkg입니다.
- "Taimyr-5"는 4 단계 발사체입니다. 첫 번째 단계-추력이 ~ 1 tf 인 LPRE가 4 개있는 URB-1 4 개, 두 번째 단계-추력이 ~ 2 tf 인 LPRE가있는 URB-100 11,2 개, 세 번째 단계-추력이 ~ 16kgf 인 LPRE가있는 URB-108. 발사 질량은 XNUMX 톤, 길이는 XNUMXm, 저궤도의 탑재량 질량은 XNUMXkg입니다.
- "타이 미르 -7"은 6 단 발사체입니다. 첫 번째 단계-~ 1tf의 추력을 가진 LPRE 4 개가있는 1 개의 URB-4, 두 번째 단계-~ 2 tf의 추력을 가진 100 개의 LPRE가있는 하나의 URB-15,6, 세 번째 단계-~ 16 kgf의 추력을 가진 LPRE가있는 URB-180. 발사 질량은 85 톤, 길이는 XNUMXm, 저궤도의 페이로드 질량은 최대 XNUMXkg, 태양 동기 궤도-XNUMXkg입니다.
Taimyr 발사체의 엔진은 등유와 농축 과산화수소로 작동해야하며, 연료는 압축 된 헬륨으로 대체하여 공급해야합니다. 이 디자인은 CFRP 및 3D 프린팅 구성 요소를 포함한 복합 재료를 널리 사용할 것으로 예상됩니다.
나중에 Lin Industrial은 모듈 식 계획을 포기했습니다. 발사체는 순차적 인 단계 배열로 XNUMX 단계가되었으며, 그 결과 Taimyr 발사체의 모습이 Rocket Lab의 Electron 발사체의 모습과 비슷해지기 시작했습니다. 또한 압축 된 헬륨의 변위 시스템은 배터리로 구동되는 전기 펌프를 사용하는 연료 공급으로 대체되었습니다.
Taimyr LV의 첫 출시는 2023 년으로 예정되어 있습니다.
IHI 항공 우주
가장 흥미로운 초경량 발사체 중 하나는 IHI Aerospace에서 제조 한 일본 SS-520 520 단계 고체 추진 로켓으로, S-520 지구 물리 로켓을 기반으로 9,54 단계를 추가하고 이에 상응하는 온보드 시스템을 개선 한 것입니다. SS-0,54 로켓의 높이는 2600m, 지름은 4m, 발사 무게는 XNUMXkg입니다. LEO에 전달되는 페이로드 질량은 약 XNUMXkg입니다.
RN SS-520-4 출시
첫 번째 단계의 몸체는 고강도 강철로 만들어졌으며 두 번째 단계는 탄소 섬유 합성물로 만들어졌으며 헤드 페어링은 유리 섬유로 만들어졌습니다. 세 단계 모두 고체 연료입니다. SS-520 LV 제어 시스템은 첫 번째 단계와 두 번째 단계가 분리되는 순간 주기적으로 켜지고 나머지 시간에는 로켓이 회전에 의해 안정화됩니다.
3 년 2018 월 520 일 SS-4-1 LV는 소비자 전자 부품으로 우주선을 만들 수있는 가능성을 보여주기 위해 설계된 3kg의 질량을 가진 TRICOM-520R 큐브 새트를 성공적으로 출시했습니다. 발사 당시 SS-4-XNUMX 발사체는 기네스 북에 등록 된 세계에서 가장 작은 발사체였습니다.
고체 추진 기상 및 지구 물리 로켓을 기반으로 한 초소형 발사체를 만드는 것은 다소 유망한 방향이 될 수 있습니다. 이러한 미사일은 유지 관리가 쉽고 가능한 한 짧은 시간에 발사를 준비 할 수있는 상태로 장기간 보관할 수 있습니다.
로켓 엔진 비용은 로켓 비용의 약 50 %가 될 수 있으며, 적층 기술을 사용하더라도 30 % 미만의 수치에 도달 할 가능성은 거의 없습니다. 고체 연료 발사체는 극저온 산화제를 사용하지 않으므로 발사 직전에 특별한 저장 및 연료 보급 조건이 필요합니다. 동시에 고체 추진제 충전제를 제조하기 위해 필요한 구성의 연료 충전량을 "인쇄"할 수있는 추가 기술도 개발되고 있습니다.
초경량 발사체의 콤팩트 한 크기는 운송을 단순화하고 행성의 다양한 지점에서 발사하여 필요한 궤도 경사를 얻을 수 있도록합니다. 초경량 발사체의 경우 "대형"로켓보다 훨씬 더 간단한 발사 플랫폼이 필요하므로 이동성이 있습니다.
러시아에 유사한 미사일 프로젝트가 있으며 어떤 기반으로 구현할 수 있습니까?
소련에서는 MR-1, MMP-05, MMP-08, M-100, M-100B, M-130, MMP-06, MMP-06M, MR-12, MR-20 및 지구 물리 로켓과 같은 상당수의 기상 로켓이 생산되었습니다. -R-1A, R-1B, R-1V, R-1E, R-1D, R-2A, R-11A, R-5A, R-5B, R-5V, "수직", K65UP, MR-12 , MR-20, MN-300, 1Ya2TA. 그들 중 다수는 탄도 미사일 또는 대 미사일의 군사 발전에 기반을두고 있습니다. 수년간 상층 대기권을 적극적으로 탐사하는 동안 발사 횟수는 연간 600-700 미사일에 달했습니다.
소련 붕괴 후 발사 횟수와 미사일 유형이 급격히 감소했습니다. 현재 Roshydromet은 NPO Typhoon / OKB Novator가 개발 한 MN-30 로켓이 장착 된 MR-300과 KBP JSC가 개발 한 기상 미사일 MERA의 두 가지 단지를 사용합니다.
MR-30 (MN-300)
MR-30 단지의 미사일은 50-150kg의 과학 장비를 300km 고도까지 들어 올릴 수 있습니다. MN-300 로켓의 길이는 8012mm, 직경 445mm, 발사 무게는 1558kg입니다. MN-300 로켓의 한 번 발사 비용은 55-60 백만 루블로 추정됩니다.
MN-300 로켓을 기반으로 300 단과 상단 (실제로 520 단)을 추가하여 초소형 발사체 IR-XNUMX을 만들 수있는 가능성을 검토 중이다. 즉, 실제로 일본 초경량 SS-XNUMX 발사체 구현의 다소 성공적인 경험을 반복하는 것이 제안되었습니다.
동시에 일부 전문가들은 MN-300 로켓의 최대 속도가 약 2000m / s이므로 발사체를 궤도에 올리는 데 필요한 약 8000m / s의 첫 번째 우주 속도를 얻으려면 원래 프로젝트를 너무 심각하게 수정해야 할 수 있다고 의견을 표명합니다. , 이는 본질적으로 새로운 제품의 개발로, 출시 비용이 거의 XNUMX 배 증가하고 경쟁사에 비해 수익성이 떨어질 수 있습니다.
법안
기상 로켓 MERA는 무게가 2-3kg 인 탑재 하중을 110km의 고도로 들어올 리도록 설계되었습니다. MERA 로켓의 질량은 67kg입니다.
기상 로켓 MERA 발사기 및 발사
MERA 기상 로켓 탑재량
언뜻보기에 MERA 기상 로켓은 초경량 발사체를 만드는 기초로 사용하기에 절대적으로 부적합하지만 동시에이 관점에 도전 할 수있는 몇 가지 뉘앙스가 있습니다.
기상 미사일 MERA는 XNUMX 단 바이 칼리버로, 첫 번째 단계 만 가속 기능을 수행하고, 두 번째 단계는 분리 후 관성에 의해 날아가는데, 이는이 복합물을 Tunguska 및 Pantsir 대공 미사일 및 대포 단지 (ZRPK)의 대공 유도 미사일 (SAM)과 유사하게 만듭니다. 실제로 이러한 단지의 방공 미사일 시스템을위한 미사일을 기반으로 기상 로켓 MERA가 만들어졌습니다.
첫 번째 단계는 고체 추진제 충전물이 배치 된 복합 본체입니다. 2,5 초 만에 첫 번째 단계는 기상 로켓을 약 5m / s 인 1500M (음속)의 속도로 가속합니다. 첫 번째 단계의 직경은 170mm입니다.
기상 로켓 MERA
복합 재료를 감아 만든 기상 로켓 MERA의 첫 번째 단계는 매우 가볍습니다 (비슷한 치수의 강철 및 알루미늄 구조에 비해). 무게는 55kg에 불과합니다. 또한 비용은 탄소 섬유로 만든 솔루션보다 훨씬 낮아야합니다.
이를 바탕으로 기상 로켓 MERA의 XNUMX 단계를 기반으로 초경량 발사체 단계의 일괄 형성을 위해 설계된 통합 로켓 모듈 (URM)이 개발 될 수 있다고 가정 할 수있다.
사실, 그러한 모듈이 두 개있을 것이며, 로켓 엔진의 노즐이 각각 다르며 대기 또는 진공에서 작동하도록 최적화됩니다. 현재 JSC KBP에서 와인딩 방식으로 제조 한 케이싱의 최대 지름은 220mm로 추정됩니다. 더 큰 직경과 길이의 복합 하우징을 제조하는 것이 기술적으로 가능할 수 있습니다.
한편, 최적의 솔루션은 선체의 제조가 될 수 있으며, 그 크기는 Pantsir 방공 미사일 시스템 용 탄약, Hermes 단지의 유도 미사일 또는 MERA 기상 로켓과 통합 될 것이며, 이는 일련의 양을 늘려 단일 제품의 비용을 절감 할 것입니다. 동일한 유형의 제품 출시.
발사체의 스테이지는 URM에서 모집하고 병렬로 고정해야하며 스테이지 분리는 가로로 수행됩니다. 스테이지에서 URM의 세로 분리는 제공되지 않습니다. 그러한 발사체의 스테이지는 더 큰 직경의 모노 블록 바디에 비해 큰 기생 질량을 가질 것이라고 가정 할 수 있습니다. 이것은 부분적으로 사실이지만, 복합 재료로 만들어진 케이스의 무게가 가볍기 때문에 이러한 단점을 크게 줄일 수 있습니다. 유사한 기술을 사용하여 만든 대구경 케이스는 생산하기가 훨씬 더 어렵고 비용이 많이 들고, 패키지로 연결된 URM보다 필요한 구조적 강성을 보장하기 위해 벽을 훨씬 두껍게 만들어야하므로 결국 많은 모노 블록 및 패키지 솔루션이 있습니다. 후자의 비용이 더 저렴할 것입니다. 그리고 강철 또는 알루미늄 모노 블록 케이스는 포장 된 복합재 케이스보다 무겁습니다.
MERA 기상 로켓의 첫 번째 단계를 기반으로 한 KRM 기반 초경량 MERA-K 발사체의 개념 (이미지는 Lin Industrial 회사의 Taimyr 모듈 형 발사체를 기반으로 제작 됨)
URM의 병렬 연결은 계단의 상부 및 하부에 위치한 평면 복합 밀링 요소를 사용하여 수행 할 수 있습니다 (URM 본체의 좁아지는 지점에서). 필요한 경우 복합 재료로 만든 추가 스크 리드를 사용할 수 있습니다. 구조, 기술 및 저렴한 산업 재료의 비용을 줄이기 위해 가능한 한 고강도 접착제를 사용해야합니다.
유사하게, LV 스테이지는 복합 관형 또는 보강 요소로 상호 연결될 수 있으며 구조는 분리 불가능할 수 있습니다. 스테이지가 분리되면 하중지지 요소가 열전하에 의해 제어 된 방식으로 파괴 될 수 있습니다. 또한, 신뢰성을 높이기 위해 파이로 요금은지지 구조물의 여러 지점에 순차적으로 위치 할 수 있으며, 전원을 켤 때 (전기 점화가 작동하지 않는 경우 하단 단계를 쏘기 위해) 전기 점화 및 상위 단계의 엔진 불꽃에서 직접 점화에 의해 시작될 수 있습니다.
발사체는 일본 초경량 발사체 SS-520과 같은 방식으로 조종 할 수 있습니다. Pantsir 방공 미사일 시스템에 설치된 것과 유사한 무선 명령 제어 시스템을 설치하는 옵션은 적어도 비행 경로의 일부 (및 가능하면 비행의 모든 단계에서)에서 발사체의 발사를 수정하는 데 고려 될 수 있습니다. 잠재적으로 이것은 "재사용 가능한"제어 차량으로 운반함으로써 일회용 로켓에 탑재되는 값 비싼 장비의 양을 줄일 것입니다.
지지 구조, 연결 요소 및 제어 시스템을 고려하여 최종 제품은 몇 킬로그램에서 수십 킬로그램까지 무게가 나가는 탑재 하중을 LEO로 출력하고 (단계의 통합 로켓 모듈 수에 따라 다름) 일본 초경량 SS-LV와 경쟁 할 수 있다고 가정 할 수 있습니다. 러시아 및 외국 회사에서 개발 한 520 및 기타 유사한 초경량 발사체.
프로젝트의 성공적인 상용화를 위해서는 초경량 MERA-K 발사체 발사 예상 비용이 3,5 만 달러 (SS-520 발사체 발사 비용)를 초과하지 않아야합니다.
상용화 외에도 MERA-K 발사체는 군용 우주선의 비상 철수에 사용될 수 있으며, 그 크기와 질량도 점차 감소 할 것입니다.
또한 MERA-K LV 프로젝트를 구현하는 동안 얻은 개발은 고급 무기를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, LV 발사 후 궤도의 상단 지점으로 떨어지는 소형 글라이더 형태의 기존 탄두가있는 극 초음속 복합체.
- 안드레이 미트로 파 노프
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