لقد أصبح غزو الفضاء الخارجي من أهم الإنجازات التي حققتها البشرية وصنعها لعصر ما. تطلب إنشاء مركبات الإطلاق والبنية التحتية لإطلاقها جهودًا هائلة من الدول الرائدة في العالم. في عصرنا ، هناك اتجاه لإنشاء مركبات إطلاق قابلة لإعادة الاستخدام بالكامل وقادرة على أداء عشرات الرحلات الجوية في الفضاء. لا يزال تطويرها وتشغيلها يتطلب موارد ضخمة ، والتي لا يمكن تخصيصها إلا من قبل الدول أو الشركات الكبرى (مرة أخرى ، بدعم من الدولة).
في بداية القرن الحادي والعشرين ، أتاح تحسين المكونات الإلكترونية وتصغيرها إمكانية إنشاء سواتل صغيرة الحجم (ما يسمى بـ "الأقمار الصناعية الدقيقة" و "السواتل النانوية") ، والتي تتراوح كتلتها بين 1-100 كلغ. في الآونة الأخيرة ، نتحدث عن "الأقمار الصناعية البيكوزية" (التي تزن من 100 جرام إلى 1 كجم) و "الفيمتو ساتلايت" (التي يقل وزنها عن 100 جرام). يمكن إطلاق مثل هذه الأقمار الصناعية كبضائع مجمعة من عملاء مختلفين أو كحمل عابر إلى مركبة فضائية "كبيرة" (SC). طريقة الإطلاق هذه ليست مريحة دائمًا ، نظرًا لأن مصنعي الأقمار الصناعية النانوية (في ما يلي سوف نستخدم هذا التعيين لجميع أبعاد المركبات الفضائية فائقة الصغر) يجب أن يتكيفوا مع الجدول الزمني للعملاء لإطلاق الشحنة الرئيسية ، وكذلك بسبب الاختلافات في مدارات الإطلاق.
وقد أدى ذلك إلى ظهور الطلب على مركبات الإطلاق فائقة الصغر القادرة على إطلاق مركبات فضائية تزن حوالي 1-100 كجم.
DARPA و KB "MiG"
كان هناك ولا يزال يجري تطوير العديد من المشاريع لمركبات الإطلاق خفيفة الوزن - مع الإطلاق البري والجوي والبحري. على وجه الخصوص ، كانت الوكالة الأمريكية DARPA تعمل بنشاط على حل مشكلة الإطلاق السريع لمركبة فضائية فائقة الصغر. على وجه الخصوص ، يمكن للمرء أن يتذكر مشروع ALASA ، الذي تم إطلاقه في عام 2012 ، والذي تم في إطاره إنشاء صاروخ صغير الحجم مصمم للإطلاق من مقاتلة F-15E وإطلاق أقمار صناعية يصل وزنها إلى 45 كجم في مدار مرجعي منخفض (LEO).
كان على المحرك الصاروخي المثبت على الصاروخ أن يعمل على مادة NA-7 أحادية المادة ، بما في ذلك أحادي البروبيلين وأكسيد النيتروز والأسيتيلين. كانت تكلفة الإطلاق لا تتجاوز مليون دولار. من المفترض أن مشاكل الوقود ، لا سيما مع احتراقه التلقائي وميله للانفجار ، هي التي وضعت حداً لهذا المشروع.
تم وضع مشروع مماثل في روسيا. في عام 1997 ، بدأ مكتب تصميم MiG ، جنبًا إلى جنب مع KazKosmos (كازاخستان) ، في تطوير نظام إطلاق حمولة (PN) باستخدام جهاز اعتراض MiG-31I المحول (Ishim). تم تطوير المشروع على أساس العمل الأساسي لإنشاء تعديل مضاد للأقمار الصناعية من طراز MiG-31D.
الصاروخ ثلاثي المراحل ، الذي أطلق على ارتفاع حوالي 17000 متر وبسرعة 3000 كم / ساعة ، كان من المفترض أن يوفر حمولة تزن 160 كجم في المدار على ارتفاع 300 كيلومتر ، وحمولة تزن 120 كجم في مدار. على ارتفاع 600 كيلومتر.
لم يسمح الوضع المالي الصعب في روسيا في أواخر التسعينيات وأوائل القرن الحادي والعشرين بتحقيق هذا المشروع في المعدن ، على الرغم من أنه من الممكن أن تنشأ عقبات فنية في عملية التطوير.
كان هناك العديد من المشاريع الأخرى لمركبات الإطلاق خفيفة الوزن. يمكن اعتبار السمة المميزة لها هي تطوير المشاريع من قبل هياكل الدولة أو الشركات الكبيرة ("الدولة" عمليًا).غالبًا ما كان يتعين استخدام المنصات المعقدة والمكلفة مثل المقاتلات أو القاذفات أو طائرات النقل الثقيل كمنصات إطلاق.
أدى كل هذا معًا إلى تعقيد عملية التطوير وزيادة تكلفة المجمعات ، والآن انتقلت القيادة في إنشاء مركبات إطلاق خفيفة الوزن إلى أيدي الشركات الخاصة.
معمل الصواريخ
يمكن اعتبار واحدة من أنجح وأشهر مشاريع الصواريخ الخفيفة للغاية مركبة الإطلاق "Electron" التابعة لشركة Rocket Lab الأمريكية النيوزيلندية. هذا الصاروخ ذو المرحلتين بكتلة 12550 كجم قادر على إطلاق 250 كجم من PS أو 150 كجم من PS في مدار متزامن مع الشمس (SSO) بارتفاع 500 كيلومتر في المدار الأرضي المنخفض. تخطط الشركة لإطلاق ما يصل إلى 130 صاروخًا سنويًا.
يتكون تصميم الصاروخ من ألياف الكربون ؛ وتستخدم المحركات النفاثة التي تعمل بالوقود السائل (LRE) على زوج وقود من الكيروسين + الأكسجين. لتبسيط وتقليل تكلفة التصميم ، تستخدم بطاريات الليثيوم بوليمر كمصدر للطاقة وأنظمة تحكم تعمل بالهواء المضغوط ونظام لإزاحة الوقود من الخزانات التي تعمل على الهيليوم المضغوط. في صناعة محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل ومكونات الصواريخ الأخرى ، يتم استخدام التقنيات المضافة بنشاط.
يمكن ملاحظة أن أول صاروخ من Rocket Lab كان صاروخ الأرصاد الجوية Kosmos-1 (Atea-1 بلغة الماوري) ، القادر على رفع 2 كجم من الحمولة إلى ارتفاع حوالي 120 كيلومترًا.
لين الصناعية
يمكن تسمية "التناظرية" الروسية لـ Rocket Lab شركة "Lin Industrial" ، التي تطور مشاريع لكل من أبسط صاروخ شبه مداري قادر على الوصول إلى ارتفاع 100 كيلومتر ، ومركبات الإطلاق المصممة لإخراج الحمولات إلى المدار الأرضي المنخفض و SSO.
على الرغم من أن سوق الصواريخ دون المدارية (في المقام الأول مثل صواريخ الأرصاد الجوية والصواريخ الجيوفيزيائية) تهيمن عليه الحلول ذات المحركات التي تعمل بالوقود الصلب ، إلا أن شركة Lin Industrial تبني صاروخها شبه المداري على أساس محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل والتي تغذيها الكيروسين وبيروكسيد الهيدروجين. على الأرجح أن هذا يرجع إلى حقيقة أن Lin Industrial ترى اتجاهها الرئيسي للتطور في الإطلاق التجاري لمركبة الإطلاق في المدار ، ومن المرجح أن يتم استخدام الصاروخ شبه المداري الذي يعمل بالوقود السائل لتطوير حلول تقنية.
المشروع الرئيسي لشركة Lin Industrial هو مركبة الإطلاق الخفيفة Taimyr. في البداية ، قدم المشروع تخطيطًا معياريًا مع ترتيب متسلسل متوازي للوحدات ، مما يسمح بتشكيل مركبة إطلاق مع إمكانية إخراج حمولة وزنها من 10 إلى 180 كجم إلى المدار الأرضي المنخفض. كان من المقرر ضمان التغيير في الحد الأدنى من كتلة مركبة الإطلاق التي تم إطلاقها عن طريق تغيير عدد وحدات الصواريخ العالمية (UBR) - URB-1 و URB-2 و URB-3 ووحدة الصواريخ RB-2 للمرحلة الثالثة.
يجب أن تعمل محركات مركبة الإطلاق Taimyr على الكيروسين وبيروكسيد الهيدروجين المركز ؛ يجب تزويد الوقود بالإزاحة بهليوم مضغوط. من المتوقع أن يستخدم التصميم على نطاق واسع المواد المركبة ، بما في ذلك البلاستيك المقوى بألياف الكربون والمكونات المطبوعة ثلاثية الأبعاد.
في وقت لاحق ، تخلت شركة Lin Industrial عن المخطط المعياري - أصبحت مركبة الإطلاق على مرحلتين ، مع ترتيب متسلسل للخطوات ، ونتيجة لذلك بدأ مظهر مركبة الإطلاق Taimyr يشبه مظهر مركبة الإطلاق Electron من خلال معمل الصواريخ. أيضًا ، تم استبدال نظام الإزاحة على الهليوم المضغوط بإمداد الوقود باستخدام مضخات كهربائية تعمل بالبطاريات.
من المقرر إطلاق أول مركبة Taimyr LV في عام 2023.
IHI ايروسبيس
واحدة من أكثر مركبات الإطلاق خفيفة الوزن هي الصاروخ الياباني SS-520 ثلاثي المراحل الذي يعمل بالوقود الصلب المصنوع من قبل IHI Aerospace ، والذي تم إنشاؤه على أساس الصاروخ الجيوفيزيائي S-520 عن طريق إضافة مرحلة ثالثة والتحسين المقابل للأنظمة الموجودة على متن الطائرة. يبلغ ارتفاع الصاروخ SS-520 9.54 متر ، وقطره 0.54 متر ، ووزن الإطلاق 2600 كجم. تبلغ كتلة الحمولة التي يتم تسليمها إلى المدار الأرضي المنخفض حوالي 4 كجم.
يتكون جسم المرحلة الأولى من الفولاذ عالي القوة ، والمرحلة الثانية مصنوعة من مركب ألياف الكربون ، كما أن غطاء الرأس مصنوع من الألياف الزجاجية. جميع المراحل الثلاث هي وقود صلب. يتم تشغيل نظام التحكم في SS-520 LV بشكل دوري في وقت فصل المرحلتين الأولى والثانية ، وبقية الوقت يتم تثبيت الصاروخ بالدوران.
في 3 فبراير 2018 ، أطلقت SS-520-4 LV بنجاح مكعبات TRICOM-1R بكتلة 3 كيلوغرامات ، وهي مصممة لإثبات إمكانية إنشاء مركبة فضائية من مكونات إلكترونية للمستهلكين. في وقت الإطلاق ، كانت SS-520-4 LV أصغر مركبة إطلاق في العالم ، وهي مسجلة في موسوعة غينيس للأرقام القياسية.
يمكن أن يكون إنشاء مركبات إطلاق صغيرة جدًا تعتمد على صواريخ أرصاد جوية وصواريخ جيوفيزيائية تعمل بالوقود الصلب اتجاهًا واعدًا إلى حد ما. هذه الصواريخ سهلة الصيانة ، ويمكن تخزينها لفترة طويلة في حالة تضمن تحضيرها للإطلاق في أقصر وقت ممكن.
يمكن أن تصل تكلفة محرك الصاروخ إلى حوالي 50٪ من تكلفة الصاروخ ومن غير المرجح أن يكون من الممكن الوصول إلى رقم أقل من 30٪ ، حتى مع مراعاة استخدام التقنيات المضافة. في مركبات الإطلاق التي تعمل بالوقود الصلب ، لا يتم استخدام مؤكسد مبرد ، الأمر الذي يتطلب تخزينًا خاصًا وظروف إعادة التزود بالوقود قبل الإطلاق مباشرة. في الوقت نفسه ، لتصنيع شحنات الوقود الصلب ، يتم أيضًا تطوير تقنيات مضافة تتيح "طباعة" رسوم الوقود بالتكوين المطلوب.
تعمل الأبعاد المدمجة لمركبات الإطلاق فائقة الخفة على تبسيط عملية نقلها وتسمح بالإطلاق من نقاط مختلفة من الكوكب للحصول على الميل المداري المطلوب. بالنسبة لمركبات الإطلاق خفيفة الوزن ، يلزم وجود منصة إطلاق أبسط بكثير من الصواريخ "الكبيرة" ، مما يجعلها متحركة.
هل هناك مشاريع لمثل هذه الصواريخ في روسيا وعلى أي أساس يمكن تنفيذها؟
في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تم إنتاج عدد كبير من صواريخ الأرصاد الجوية - MR-1 ، MMP-05 ، MMP-08 ، M-100 ، M-100B ، M-130 ، MMP-06 ، MMP-06M ، MR-12 ، MR -20 والصواريخ الجيوفيزيائية - R-1A ، R-1B ، R-1V ، R-1E ، R-1D ، R-2A ، R-11A ، R-5A ، R-5B ، R-5V ، "عمودي" ، K65UP ، MR-12 ، MR-20 ، MN-300 ، 1Ya2TA. استند العديد من هذه التصميمات إلى التطورات العسكرية في الصواريخ الباليستية أو الصواريخ المضادة. خلال سنوات الاستكشاف النشط للغلاف الجوي العلوي ، بلغ عدد عمليات الإطلاق 600-700 صاروخ سنويًا.
بعد انهيار الاتحاد السوفياتي ، انخفض عدد عمليات الإطلاق وأنواع الصواريخ بشكل جذري. في الوقت الحالي ، يستخدم Roshydromet مجمعين - MR-30 مع صاروخ MN-300 الذي طوره NPO Typhoon / OKB Novator وصاروخ الأرصاد الجوية MERA الذي طورته KBP JSC.
MR-30 (MN-300)
يوفر صاروخ مجمع MR-30 رفع 50-150 كجم من المعدات العلمية على ارتفاع 300 كيلومتر. يبلغ طول الصاروخ MN-300 8012 ملم وقطره 445 ملم ، ووزن الإطلاق 1558 كجم. تقدر تكلفة الإطلاق الواحد لصاروخ MN-300 بـ 55-60 مليون روبل.
على أساس صاروخ MN-300 ، يتم النظر في إمكانية إنشاء مركبة إطلاق صغيرة جدًا IR-300 عن طريق إضافة مرحلة ثانية ومرحلة عليا (في الواقع ، مرحلة ثالثة). هذا ، في الواقع ، يُقترح تكرار التجربة الناجحة إلى حد ما في تنفيذ مركبة الإطلاق اليابانية خفيفة الوزن SS-520.
في الوقت نفسه ، أعرب بعض الخبراء عن رأي مفاده أنه نظرًا لأن السرعة القصوى للصاروخ MN-300 حوالي 2000 م / ث ، فإن الحصول على أول سرعة كونية تبلغ حوالي 8000 م / ث ، وهو أمر ضروري لوضع مركبة الإطلاق في المدار ، قد يتطلب الأمر مراجعة جادة جدًا للمشروع الأصلي. ، وهو في الأساس تطوير منتج جديد ، والذي يمكن أن يؤدي إلى زيادة تكلفة الإطلاق بمقدار ما يقرب من الحجم ويجعله غير مربح مقارنة بالمنافسين.
قياس
صُمم صاروخ الأرصاد الجوية MERA لرفع حمولة تزن 2-3 كجم إلى ارتفاع 110 كيلومترات. كتلة صاروخ MERA 67 كجم.
للوهلة الأولى ، فإن صاروخ الأرصاد الجوية MERA غير مناسب تمامًا للاستخدام كأساس لإنشاء مركبة إطلاق خفيفة للغاية ، ولكن في الوقت نفسه ، هناك بعض الفروق الدقيقة التي تجعل من الممكن تحدي وجهة النظر هذه.
صاروخ الأرصاد الجوية MERA هو عبارة عن bicaliber من مرحلتين ، والمرحلة الأولى فقط تؤدي وظيفة التسارع ، والثانية - بعد الانفصال ، تطير بالقصور الذاتي ، مما يجعل هذا المجمع مشابهًا للصواريخ الموجهة المضادة للطائرات (SAM) من Tunguska و مجمعات الصواريخ والمدافع بانتسير المضادة للطائرات (ZRPK). في الواقع ، على أساس صواريخ أنظمة الدفاع الجوي الصاروخية لهذه المجمعات ، تم إنشاء صاروخ الأرصاد الجوية MERA.
المرحلة الأولى عبارة عن جسم مركب به شحنة دافعة صلبة. في غضون 2.5 ثانية ، تعمل المرحلة الأولى على تسريع صاروخ الأرصاد الجوية إلى سرعة 5M (سرعات الصوت) ، أي حوالي 1500 م / ث. قطر المرحلة الأولى 170 ملم.
المرحلة الأولى من صاروخ الأرصاد الجوية MERA ، المصنوع عن طريق لف مادة مركبة ، خفيف للغاية (مقارنة بهياكل الصلب والألومنيوم ذات الأبعاد المماثلة) - وزنه 55 كجم فقط. أيضًا ، يجب أن تكون تكلفتها أقل بكثير من الحلول المصنوعة من ألياف الكربون.
بناءً على ذلك ، يمكن الافتراض أنه على أساس المرحلة الأولى من صاروخ الأرصاد الجوية MERA ، يمكن تطوير وحدة صاروخية موحدة (URM) ، مصممة لتشكيل مجموعات من مراحل إطلاق مركبات خفيفة الوزن
في الواقع ، ستكون هناك وحدتان من هذه الوحدات ، ستختلفان في فوهة محرك الصاروخ ، محسّنة ، على التوالي ، للعمل في الغلاف الجوي أو في الفراغ. في الوقت الحالي ، يُفترض أن يبلغ الحد الأقصى لقطر الأغلفة المصنعة بواسطة JSC KBP بطريقة اللف 220 مم. من الممكن أن تكون هناك جدوى تقنية لتصنيع العلب المركبة ذات القطر والطول الأكبر.
من ناحية أخرى ، من الممكن أن يكون الحل الأمثل هو تصنيع هياكل ، سيتم توحيد حجمها مع أي ذخيرة لنظام صواريخ بانتسير للدفاع الجوي ، أو صواريخ موجهة من مجمع هيرميس أو صواريخ MERA للأرصاد الجوية ، والتي سوف تقليل تكلفة منتج واحد عن طريق زيادة حجم الإصدار التسلسلي لنفس النوع من المنتجات.
يجب تجنيد مراحل مركبة الإطلاق من URM ، وتثبيتها بالتوازي ، بينما سيتم تنفيذ فصل المراحل بشكل عرضي - لم يتم توفير الفصل الطولي لـ URM في المرحلة. يمكن افتراض أن مراحل مركبة الإطلاق هذه سيكون لها كتلة طفيلية كبيرة مقارنة بجسم أحادي الكتلة بقطر أكبر. هذا صحيح جزئيًا ، لكن الوزن المنخفض للهيكل المصنوع من مواد مركبة يجعل من الممكن إلى حد كبير تسوية هذا العيب. قد يتضح أن العلبة ذات القطر الكبير ، المصنوعة باستخدام تقنية مماثلة ، ستكون أكثر صعوبة وتكلفة في التصنيع ، وسيتعين جعل جدرانها أكثر سمكًا لضمان الصلابة اللازمة للهيكل من تلك الموجودة في URMs المتصلة من خلال الحزمة ، بحيث يكون هناك في النهاية الكثير من أحادي الكتلة وستكون حلول الحزمة قابلة للمقارنة بتكلفة أقل للأخيرة. ومن المحتمل جدًا أن تكون العلبة أحادية الكتلة المصنوعة من الصلب أو الألومنيوم أثقل من العلبة المركبة المعبأة.
يمكن إجراء الاتصال الموازي لـ URM باستخدام عناصر مطحونة مركبة مسطحة تقع في الأجزاء العلوية والسفلية من الخطوة (عند نقاط تضييق جسم URM). إذا لزم الأمر ، يمكن استخدام قدد التسوية الإضافية المصنوعة من المواد المركبة. لتقليل التكلفة في الهيكل والمواد الصناعية التكنولوجية والرخيصة ، يجب استخدام المواد اللاصقة عالية القوة قدر الإمكان.
وبالمثل ، يمكن ربط مراحل الجهد المنخفض بواسطة عناصر أنبوبية مركبة أو عناصر تقوية ، ويمكن أن يكون الهيكل غير قابل للفصل ، عندما يتم فصل المراحل ، يمكن تدمير العناصر الحاملة بواسطة الشحنات الحرارية بطريقة خاضعة للرقابة.علاوة على ذلك ، لزيادة الموثوقية ، يمكن وضع الشحنات الحرارية في عدة نقاط متسلسلة متتابعة للهيكل الداعم ويمكن أن تبدأ عن طريق الإشعال الكهربائي والاشتعال المباشر من لهب المحركات ذات المرحلة الأعلى ، عند تشغيلها (لإطلاق النار) المرحلة الدنيا إذا لم يعمل الإشعال الكهربائي).
يمكن التحكم في مركبة الإطلاق بنفس الطريقة التي يتم بها التحكم في مركبة الإطلاق اليابانية خفيفة الوزن SS-520. يمكن أيضًا اعتبار خيار تثبيت نظام تحكم في الأوامر اللاسلكية ، مشابهًا لذلك المثبت على نظام صواريخ Pantsir للدفاع الجوي ، لتصحيح إطلاق مركبة الإطلاق على الأقل في جزء من مسار الرحلة (وربما في جميع مراحل رحلة طيران). من المحتمل أن يؤدي هذا إلى تقليل كمية المعدات الباهظة الثمن الموجودة على متن صاروخ يستخدم لمرة واحدة عن طريق حمله إلى مركبة تحكم "قابلة لإعادة الاستخدام".
يمكن الافتراض أنه ، مع مراعاة الهيكل الداعم وعناصر التوصيل ونظام التحكم ، سيكون المنتج النهائي قادرًا على توصيل حمولة تزن من عدة كيلوغرامات إلى عدة عشرات من الكيلوجرامات إلى المدار الأرضي المنخفض (اعتمادًا على عدد وحدات الصواريخ الموحدة في المراحل) وتنافس مع اليابانية خفيفة الوزن SS-LV.520 ومركبات الإطلاق خفيفة الوزن الأخرى المماثلة التي طورتها الشركات الروسية والأجنبية.
من أجل التسويق التجاري الناجح للمشروع ، يجب ألا تتجاوز التكلفة التقديرية لإطلاق مركبة الإطلاق MERA-K خفيفة الوزن 3.5 مليون دولار (هذه هي تكلفة الإطلاق لمركبة الإطلاق SS-520).
بالإضافة إلى التطبيقات التجارية ، يمكن استخدام مركبة الإطلاق MERA-K للسحب الطارئ للمركبة الفضائية العسكرية ، والتي سينخفض حجمها ووزنها تدريجياً.
أيضًا ، يمكن استخدام التطورات التي تم الحصول عليها أثناء تنفيذ مركبة الإطلاق MERA-K لإنشاء أسلحة متطورة ، على سبيل المثال ، مجمع تفوق سرعة الصوت برأس حربي تقليدي على شكل طائرة شراعية مدمجة ، يتم إسقاطها بعد إطلاق الإطلاق السيارة إلى النقطة العليا من المسار.
