L'État n'a pas besoin d'un lanceur super puissant, mais d'une flotte SV
Comme vous le savez, le document principal définissant les intérêts de l'État, les principaux objectifs, priorités et tâches de la Russie dans le domaine de la recherche, de l'exploration et de l'utilisation de l'espace est approuvé par le président de la Fédération de Russie Vladimir Poutine en avril 2013 « Fondements de la politique d'État de la Fédération de Russie dans le domaine des activités spatiales pour la période allant jusqu'en 2030 et au-delà ».
Conformément à ce document, les principales priorités sont d'assurer l'accès garanti de la Russie à l'espace depuis son territoire avec le développement et l'utilisation de technologies, de technologies, de travaux et de services spatiaux dans l'intérêt de la sphère socio-économique et de la défense du pays, ainsi que comme la sécurité de l'État; la création de biens spatiaux dans l'intérêt de la science; activités liées à la mise en œuvre de vols habités, y compris la création d'une base scientifique et technique pour la mise en œuvre de vols habités vers des planètes et d'autres corps du système solaire dans le cadre de la coopération internationale.
La mise en œuvre de ces objectifs est assurée par l'utilisation et le développement du potentiel scientifique, technique et de production existant pour la création de lanceurs prometteurs, de remorqueurs interorbitaux, de systèmes cibles et de services d'engins spatiaux automatiques (SC), d'engins spatiaux habités de nouvelle génération, d'éléments d'infrastructure pour activités dans l'espace lointain et technologies de rupture. pour résoudre les problèmes cibles et les technologies de production.
Le résultat sera la préservation du statut de la Russie en tant que l'une des principales puissances spatiales, la confirmation de l'autosuffisance dans le soutien de ses propres activités spatiales à travers l'ensemble des tâches nécessitant la création d'une constellation orbitale d'engins spatiaux basée sur un flotte de lanceurs russes.
La nécessité de maintenir une position stable et une compétitivité sur le marché des services de lancement est une incitation à améliorer les indicateurs techniques et économiques des aéronefs, principalement pour augmenter leurs capacités énergétiques.
Tous ces facteurs se sont manifestés le plus clairement dans l'exemple du produit le plus économiquement réussi de la cosmonautique russe - le lanceur de classe lourde "Proton". C'est le lancement de la fusée Proton sur le marché international des services de lancement et sa modernisation constante qui ont permis aux GKNPT im. MV Khrunichev pour survivre dans les années 90 et "zéro" et maintenir la coopération industrielle, assurant la maintenance du groupe orbital russe d'engins spatiaux et la participation à des projets internationaux.
Charge utile sur les échelles de compétition
Afin de déterminer quel SV développer dans le FKP-2025, il faut comprendre que les capacités énergétiques du lanceur sont déterminées par la masse de la charge utile lancée sur l'orbite de travail. Souvent, bien que pas tout à fait correct, lors de l'évaluation de l'énergie LV, une orbite terrestre basse avec une altitude de 200 kilomètres et une inclinaison égale à la latitude du point de lancement est utilisée. Pour le fonctionnement de l'engin spatial, cette orbite n'est pas utilisée comme orbite de travail, car, en raison de la décélération de l'atmosphère, la durée d'existence de l'engin spatial sur celle-ci ne dépasse pas une semaine. Parmi la variété des engins spatiaux, le marché le plus cher et le plus gourmand en ressources pour les engins spatiaux de télécommunications fonctionnant en orbite géostationnaire.
Les lancements commerciaux d'engins spatiaux de télécommunications présentent deux caractéristiques. La masse des engins spatiaux commerciaux augmente plus rapidement que ceux lancés dans le cadre des programmes fédéraux. Mais comme vous pouvez le voir sur le graphique, même la masse des engins spatiaux commerciaux est loin d'être illimitée et pour leur lancement, un LV de classe super-lourd (STK LV) de type SLS n'est pas du tout nécessaire.
Il existe également des différences dans la conception balistique des lancements commerciaux. Il se trouve que les engins spatiaux étrangers, contrairement aux engins nationaux, ne sont pas placés immédiatement sur une orbite géostationnaire, mais sur une "orbite standard de géo-transfert" intermédiaire de haut apogée. L'engin spatial, séparé du LV sur lui, après une pause balistique d'environ cinq heures à l'apogée de l'orbite, à l'aide de son propre système de propulsion, élabore une impulsion qui assure la formation d'une orbite géostationnaire. Compte tenu de la consommation de carburant, la masse de la charge utile lancée sur l'orbite de transfert géosynchrone intermédiaire devrait être environ 1,6 fois supérieure à celle de l'orbite de travail, c'est-à-dire géostationnaire.
Mais revenons à Proton - la seule nécessité de maintenir la compétitivité sur le marché des services de lancement est devenue la raison de réaliser quatre étapes de sa modernisation au détriment des fonds issus des lancements commerciaux du Proton LV - à partir de la version initiale du Proton-K à Proton-M et développement pour le lanceur Proton du nouveau Upper Stage (RB) Briz-M, qui a permis d'augmenter la masse de la charge utile livrée à l'orbite géostationnaire de 2, 6 à 3,5 tonnes et à l'orbite géostationnaire orbite de transfert - de 4,5 à 6, 3 tonnes. Mais quelle que soit la qualité du porte-avions Proton, ses lancements ne sont pas effectués depuis le territoire de la Russie. Il existe également des problèmes d'approvisionnement en carburant pour le Proton, un heptyle hautement toxique utilisé sur les missiles militaires et appartenant aux substances de la première classe de danger la plus élevée.
Les dirigeants du pays ont confié à l'industrie la tâche d'assurer un accès garanti à l'espace depuis son territoire - les lancements d'engins spatiaux devraient être effectués par des fusées développées et fabriquées en Russie. De plus, il est nécessaire d'améliorer la sécurité environnementale des lancements en éliminant l'utilisation de carburant toxique.
Ces tâches devraient être résolues par le programme de création d'un lanceur de classe lourde "Angara", qui assurera le lancement garanti des engins de télécommunication et de météorologie et des engins spatiaux en orbite géostationnaire, assurant la défense et la sécurité de l'État.
Malheureusement, le lanceur "Angara" a été créé depuis assez longtemps. Le décret du gouvernement de la Fédération de Russie sur le développement d'un projet de complexe de fusées spatiales (SRS) de classe lourde a été adopté sur la base des résultats d'un concours organisé 22 ans avant le premier lancement du LV. Le financement réel du programme a commencé après 2005. Il a permis de réaliser deux lancements tests réussis en 2014 et de programmer des lancements de LV avec des charges utiles cibles à partir de 2016. Lorsqu'il est lancé depuis le cosmodrome de Plesetsk, les capacités énergétiques du lanceur Angara-A5 avec un RB KVTK cryogénique assureront le lancement d'une charge utile pesant 4,5 tonnes sur une orbite géostationnaire, et 7,5 tonnes sur une orbite géostationnaire standard (lors de l'utilisation du Briz -M RB - 2, 9 et 5, 4 tonnes, respectivement).
Lorsque la sonde Angara sera déployée au cosmodrome de Vostochny, les capacités énergétiques du lanceur Angara-A5 avec un RB oxygène-hydrogène du KBTK assureront le lancement d'une charge utile pesant jusqu'à cinq tonnes sur une orbite géostationnaire, et jusqu'à huit tonnes sur une orbite géostationnaire. Cette réserve d'énergie est suffisante dans un avenir proche pour lancer des engins spatiaux dans le cadre des programmes fédéraux, mais ne permet pas de concurrencer pour le lancement d'engins spatiaux de la gamme de prix supérieure de nouveaux lanceurs étrangers de classe lourde à charge utile accrue - Delta-IVH, Ariane-5ECA et Atlas -5. En particulier, le lanceur Atlas-5 de la série 500 lance jusqu'à 8, 7 tonnes sur l'orbite de géo-transfert, et le plus puissant des lanceurs utilisés pour lancer le vaisseau spatial du département américain de la Défense (Delta-IVH) prévoit le lancement d'une charge utile d'une masse allant jusqu'à 13 sur l'orbite de géo-transfert.
Après une analyse complète des priorités et des besoins en matière de capacités énergétiques des véhicules terrestres, ainsi que de l'état du marché des services spatiaux, le STC de Roskosmos a déterminé qu'afin de résoudre les problèmes dans l'espace extra-atmosphérique, notamment le lancement d'engins spatiaux prometteurs dotés d'un masse d'au moins sept tonnes sur une orbite géostationnaire et de 12 tonnes sur une orbite géostationnaire, Un lanceur capable de placer au moins 35 tonnes de charge utile en orbite terrestre basse.
Un tel lanceur - "Angara-A5V" peut être créé en remplaçant le troisième étage oxygène-kérosène du lanceur "Angara-A5" par l'étage oxygène-hydrogène d'une nouvelle conception. Le lanceur "Angara-A5V" est unifié au maximum avec le lanceur "Angara-A5" créé, y compris en termes d'infrastructures spatiales au sol. En termes de capacités énergétiques, le lanceur Angara-A5V correspondra aux lanceurs étrangers actuellement développés avec une charge utile accrue tels qu'Ariane-6 (Europe), Vulcan (USA), CZ-5 (Chine) et N-3 (Japon) et assurera dans un avenir proche la compétitivité des véhicules spatiaux lourds russes sur le marché mondial des services spatiaux.
Nos lanceurs lourds « Proton-M » et « Angara-A5 » avec des moteurs-fusées à propergol liquide (LPRE) sont comparables aux lanceurs étrangers à la fois en termes de rapport poussée/poids et de masses de charge utile lancées sur des orbites spécifiées.
Gaz ou sans gaz
À l'heure actuelle, la flotte de SV nationaux se compose du lanceur de classe légère Rokot, du lanceur de classe moyenne Soyouz avec le lanceur de missiles Fregat et du lanceur de classe lourde Proton avec les lanceurs de missiles DM et Briz-M.
Dans un futur proche, les lanceurs « heptyl » « Rokot » et « Proton » remplaceront les lanceurs écologiques de la famille « Angara ». Dans le même temps, il est envisagé d'améliorer la technologie et de réduire le coût des lanceurs de série Angara-A5. Des travaux sont également prévus pour remplacer le « heptyl » RB « Fregat » par un RB « ML » de petite taille utilisant des composants respectueux de l'environnement. Il est également prévu de remplacer le vétéran de la fusée nationale du lanceur Soyouz par un lanceur prometteur de classe moyenne, qui est en cours de création dans le cadre des travaux de développement de Phoenix. Au cours de son développement, il est prévu de mettre en œuvre des technologies prometteuses qui assurent une augmentation des caractéristiques opérationnelles, notamment l'utilisation du gaz naturel liquéfié (GNL) comme carburant de fusée.
Espace ouvert
Pourquoi le GNL est-il intéressant ? Le principal avantage est la possibilité fondamentale de réduire le coût du système de propulsion (PS) du lanceur en raison d'une diminution radicale de la pression de fonctionnement dans la chambre de combustion du moteur (de 250-260 à 160-170 atmosphères) avec un léger (≈4%) augmentation de l'impulsion spécifique au vide. Une augmentation de ce dernier paramètre permet de maintenir le niveau atteint des caractéristiques énergétiques et massiques des étages BT, malgré le fait que la densité du GNL est deux fois moins importante que celle du kérosène. Une caractéristique des moteurs-fusées à propergol liquide alimentés au GNL est la possibilité de développer un moteur d'un système de récupération, moins sujet au développement explosif rapide des situations d'urgence. En général, les évaluations techniques et économiques préliminaires montrent qu'il est possible de s'attendre à une diminution du coût des systèmes de propulsion pour le GNL d'environ 1,5 fois par rapport aux systèmes de propulsion basés sur les moteurs-fusées à kérosène haute pression existants, ce qui augmentera la compétitivité des véhicules de lancement.
En évaluant l'expérience de création d'un lanceur super-lourd, il convient de noter qu'Energia - Bourane est sans aucun doute l'apogée de la technologie des fusées domestiques, un programme exceptionnel en termes d'organisation, de concentration des ressources, de réalisations dans le développement de nouveaux éléments structurels et thermiques. -matériaux de blindage, maîtrise des technologies pour créer de puissants moteurs à pétrole et à hydrogène, production et transport de gros volumes d'hydrogène liquide, aérodynamique hypersonique, etc. Tout le pays a travaillé pour cela, mais l'État n'avait pas les moyens, les forces et les cibles à déployer ce système spatial en orbite. Dans le même temps, sur 10 ans de travaux sur la création du complexe "Energia" - "Bourane", plus d'un tiers des fonds alloués aux activités spatiales ont été dépensés, ce qui a affecté l'efficacité de la mise en œuvre de ses autres domaines.
Au cours de cette période, l'Agence spatiale européenne (ESA) a développé et a commencé à lancer Ariane-4 LV de classe moyenne. La société Arianspace avec cette fusée occupait plus de la moitié du marché des lancements commerciaux en orbite de géotransfert et, ayant gagné de l'argent, a créé le lanceur de classe lourde Ariane-5, qui assure toujours la mise en œuvre des programmes spatiaux de l'ESA et détient plus de 40 pour cent. du marché mondial des services de lancement.
Le journal "VPK" (n° 27) a écrit: "… Le Pentagone devrait ressentir un sentiment de profonde satisfaction, en regardant comment la Russie s'éloigne de plus en plus de la création de lanceurs super-lourds modernes", mais estime montrent que toutes les tâches militaires que le Pentagone devra résoudre dans un avenir prévisible, en utilisant les lanceurs d'une classe lourde du type Delta IVH et Atlas-5, et non le lanceur SLS, créé pour les vols interplanétaires. Il est incorrect de comparer les capacités énergétiques du lanceur Angara-A5 de 25 tonnes et du lanceur SLS de 130 tonnes - c'est comme dire: « Un camion-benne de 130 tonnes est plus froid que KamAZ, et Gazelle n'est pas une machine à tous." Pas du tout: tout véhicule - une voiture ou une fusée, pour être efficace, doit fonctionner près de la limite supérieure de ses capacités énergétiques. Si le lanceur est conduit à vide, le coût unitaire de lancement de la charge utile augmente, et c'est l'un des principaux indicateurs de l'efficacité du lanceur. Par conséquent, l'État n'a pas besoin d'un lanceur super puissant, mais d'une flotte parfaitement équilibrée de SV de différentes charges utiles pour des charges utiles spécifiques. S'il n'y a pas de telles charges utiles pour le LV, alors il risque de partager le sort d'Energia. Soit dit en passant, il est significatif que deux fusées Saturn-5 à la fin de la mission vers la lune aient été envoyées par la NASA et le département américain de la Défense dans un musée sans trouver de charge utile pour elles.
La question de l'utilisation ciblée du lanceur STK a été examinée au STC de Roskosmos - ils sont arrivés à la conclusion qu'il n'était pas nécessaire de lancer des monocargos pesant 50 à 70 tonnes avant 2030-2035. Les priorités de l'industrie spatiale russe, répétons-le, sont définies dans les "Fondements de la politique de l'État dans le domaine des activités spatiales …". Les tâches principales sont le développement de groupes orbitaux d'engins spatiaux à des fins scientifiques, socio-économiques et doubles. C'est pourquoi, dans le sens du développement d'un lanceur super-lourd, le Roskosmos NTS a décidé jusqu'en 2025 de se limiter à la création d'un socle scientifique et technique et au développement de technologies prometteuses.
Il faut admettre que maintenant l'état du groupe orbital russe d'engins spatiaux, pour le moins, n'est pas des plus prospères. En particulier, une constellation d'engins spatiaux de télédétection de la Terre (ERS) ne comprend que sept engins spatiaux et satisfait les besoins des consommateurs nationaux à hauteur de 20 à 30 %, tandis que les constellations ERS des États-Unis, des pays européens et de la Chine se composent de plus de 35 engins spatiaux chacun, fournissant une surface de contrôle globale de la Terre, y compris dans la gamme radar. Même en Inde, la constellation de satellites ERS comprend 17 satellites. C'est là que les fonds FKP-2025 devraient aller en premier lieu - dans le développement des engins spatiaux de communication, de la navigation, de la télédétection, de la météorologie, y compris des engins spatiaux à haute résolution spatiale tous temps, ce qui est particulièrement important pour la Sibérie, le Grand Nord, l'Arctique et l'Extrême-Orient.
Comme le montrent les calculs balistiques, lorsqu'elle est lancée depuis le cosmodrome de Vostochny, la version optimisée de l'Angara-A5V LV avec un RB cryogénique amélioré KBTK-V fournira une charge utile pesant jusqu'à 11, 9 tonnes sur une orbite de transfert géostationnaire et jusqu'à 7, 2 tonnes sur une orbite géostationnaire, ainsi que la possibilité de mettre en œuvre la première étape du programme lunaire habité en utilisant un schéma à quatre lancements (voir Fig.): deux lancements appariés du LV, fournissant une livraison séparée sur l'orbite lunaire du complexe d'atterrissage et de décollage lunaires (LPVK) et le véhicule de transport habité (PTK) avec leur amarrage en orbite du satellite artificiel de la Lune (OISL) et l'atterrissage ultérieur de LPVK avec un équipage à la surface de la Lune.
Un lancement de paire typique comprend le lancement d'une charge utile dans une trajectoire balistique dans le cadre d'un PTC ou d'un LPVK et d'un petit remorqueur interorbital à oxygène-kérosène (MOB2), créé sur la base du remorqueur « DM » (MOB1), développé sur le base de la réserve pour RB KVTK. MOB1 avec un poids de lancement de plus de 38 tonnes est lancé selon le schéma avec un lancement supplémentaire par le deuxième lancement de l'Angara-A5V LV. Après s'être amarré en orbite terrestre basse et mis en phase, le vaisseau spatial interorbital lunaire assemblé est d'abord placé sur une orbite hautement elliptique en raison de la puissance de MOB1. Après épuisement du carburant, l'hydrogène MOB1 est séparé et le kérosène MOB2 achève la formation de la trajectoire de départ. De plus, MOB2 fournit une correction de trajectoire lors du vol vers la Lune et le transfert de la charge utile vers l'orbite circumlunaire. Le projet FKP-2025 prévoit le travail sur les fonds indiqués.
Bien sûr, le schéma de multi-lancement est assez compliqué, il nécessite la plus haute coordination: l'équipe de départ doit travailler simultanément sur deux lanceurs, comme une horloge. Les évaluations techniques et économiques préliminaires montrent que l'utilisation au stade initial du programme lunaire habité d'un lanceur polyvalent à charge utile accrue d'une classe de 35 tonnes au lieu d'un lanceur spécialisé super-lourd de 80 tonnes permettra de réduire les coûts financiers de plus d'un ordre de grandeur, et les ressources économisées peuvent être utilisées dans l'intérêt du développement du groupement orbital national d'engins spatiaux socio-économiques, scientifiques et à double usage.
Quant à l'utilisation de propulseurs à propergol solide (TTU) dans le cadre du lanceur, il convient de noter ici que les moteurs-fusées à combustible solide (moteurs-fusées à propergol solide), par rapport aux moteurs-fusées à propergol liquide, présentent non seulement des avantages, mais aussi des inconvénients - une impulsion de poussée spécifique réduite de ~ 10-30 pour cent, la pire perfection de poids de la conception, risque d'incendie et d'explosion de la production et de l'équipement d'une charge de combustible, limitation du temps de fonctionnement, contrôle de traction, conditions de température au démarrage, effets nocifs des produits de combustion sur l'environnement. En outre, il est nécessaire de prendre en compte le coût 30 à 40 % plus élevé d'un lanceur avec des moteurs-fusées à propergol solide par rapport à un lanceur avec des moteurs-fusées à propergol liquide et la nécessité d'investir des fonds importants dans le développement de la production, des technologies et des installations d'essai pour la création de gros moteurs de fusée à propergol solide.
L'utilisation de gros moteurs de fusée à propergol solide dans le cadre du lanceur a été envisagée à plusieurs reprises dans des projets nationaux, mais compte tenu des facteurs ci-dessus, sur la base de la comparaison des alternatives, le choix a invariablement été fait en faveur des moteurs à propergol liquide. La Russie est un leader dans le développement et la production de moteurs de fusée de croisière, qui sont achetés par des clients, y compris ceux des États-Unis. Dans le projet FKP-2025, il est également prévu de tester la technologie de création d'un ergol solide de lancement d'une poussée d'environ 100 tonnes. La faisabilité de l'utilisation de moteurs-fusées à propergol solide dans des lanceurs prometteurs, par exemple dans le même "Phoenix", sera déterminée ultérieurement, sur la base des résultats d'une analyse détaillée.
En conclusion: il est clair que le projet FKP-2025 peut continuer à être amélioré, néanmoins, en termes de développement de lanceurs, ce document est assez équilibré, il reflète la réalité des faits et détermine les perspectives de développement de ce secteur de l'industrie jusqu'en 2025, en tenant compte des priorités établies des activités spatiales et des opportunités de l'État pour son financement.
