Новости об «Ангаре» на «Морском старте» - почему это важно?

[vladimir_krm]

http://geektimes.ru/post/244432/

На этой неделе не очень замеченными прошли новости о рассмотрении в российской космической отрасли идеи использовать ракету-носитель «Ангара А-5» для замены «Зенита-3SL» на проекте «Морской старт». Они отражали непростой процесс обсуждения идеи.



Первыми прошли сообщения о том, что эта идея обсуждается. Затем появилась информация, что генеральный конструктор «Ангары» заявил о нецелесообразности этой идеи. Новостей об итоговом решении пока не появилось, попробуем разобраться сами в достоинствах и недостатках этой идеи.
Предыстория


Проект «Морской старт» начался по нынешним меркам уже давно - в 1993 году. Идея состояла в том, чтобы поставить ракету-носитель «Зенит» на морскую платформу и запускать спутники на геостационарную орбиту с экватора. Выгода была заманчива:

• Старт с экватора дает максимальное бесплатное приращение линейной скорости. Земля вращается с угловой скоростью 1 оборот в сутки, но линейная скорость вращения минимальна на полюсах и максимальна на экваторе. Целых 465 м/с бесплатно добавляется к скорости ракеты, если запуск производится на экваторе в направлении на восток.
• Нулевая широта экватора означает отсутствие потерь на изменение наклонения орбиты. При старте с Земли начальное наклонение орбиты равно широте космодрома. А для геостационарной орбиты нужно нулевое наклонение. Поэтому при старте, например, с мыса Канаверал, надо тратить топливо на исправление начального наклонения в 28,5°. А при запуске с Байконура приходится исправлять целых 51,6° начального наклонения орбиты.
• Ракета-носитель «Зенит» была разработана в СССР с упором на максимальную автоматизацию процессов подготовки к пуску и самого пуска. Поэтому не просматривалось больших технических сложностей в том, чтобы запускать её с морской платформы, на которой к моменту старта не оставалось ни одного человека.

В 1999 году с «Морского старта» был запущен тестовый габаритно-весовой макет спутника, к 2006 году количество пусков выросло до 6 в год. После аварии 2007 года запуски были остановлены на год, но в 2008 году состоялось пять запусков. В 2009 году компания объявила о своём банкротстве. Очевидно, несмотря на достаточно высокую пусковую активность, в экономической части проекта были какие-то проблемы. В результате, после всех судебных разбирательств, в 2010 году компания Energia Overseas Limited, являющаяся дочерней компанией РКК «Энергия», получила 95% акций «Морского старта». После банкротства пусковая активность снизилась, максимальным достижением стали 3 спутника, запущенные в 2012 году. А авария февраля 2013 года остановила пуски больше чем на год.
Настоящее

Ракета-носитель «Зенит» - хорошая ракета, но ей фатально не везёт. Она разрабатывалась как новая РН среднего класса и могла бы заменить семейство ракет-носителей «Союз», в том числе и для пилотируемых пусков, но развалился СССР, и о фундаментальной модернизации ракетного парка в 90-е годы не могло быть никаких разговоров. Развал системы советской кооперации привёл к тому, что заводы, делающие одну ракету, оказались в разных странах и стали зависеть от политических отношений между ними. Второй, боюсь, окончательный удар этой ракете нанес конфликт между Россией и Украиной. Вне зависимости от его результатов, ракета-носитель, двигатели которой производятся в России, а баки - на Украине, будущего не имеет. В краткосрочной перспективе она производиться точно не будет, а в долгосрочной - технологии и оснастка будут заморожены и утрачены, в лучшем случае, частично. А тот факт, что база «Морского старта» находится в Калифорнии, ещё ухудшает положение проекта в условиях охлаждения российско-американских отношений.

Сочетание экономических и политических проблем привело к тому, что я ожидал новостей об окончательном закрытии проекта. Именно поэтому новости про возможную замену ракеты-носителя на «Ангару» показались мне такими важными - это, наверное, единственный шанс на возрождение такого инженерно красивого проекта как «Морской старт». Также здесь возникает интересный вопрос - «Ангара А-5» заметно более тяжелая и грузоподъемная ракета, чем «Зенит». Попробуем посчитать, сколько тонн она сможет вывести на геостационарную орбиту?
Такая разная ГПО

Перед тем, как начать расчеты, необходимо кратко рассказать о том, какие бывают способы выведения на геостационарную орбиту. Главная особенность геостационарной орбиты состоит в гравитационных возмущениях Луны. Спутник должен иметь свои собственные двигатели и запас топлива, чтобы оставаться в нужной точке стояния. Поэтому, кроме прямого выведения, когда спутник выводится ракетой-носителем (иногда с помощью разгонного блока) сразу на целевую орбиту, существуют так называемые геопереходные орбиты. В этом случае разгонный блок завершает свою работу на высокоэллиптической орбите, а спутник добирается до своей точки стояния на геостационарной орбите самостоятельно.


Далее, если конечные параметры геостационарной орбиты известны (апогей 35786 км, перигей 35786 км, наклонение 0°), то начальное наклонение у всех космодромов разное. Поэтому и параметры геопереходной орбиты сложились разные для разных стран. Более подробно можно почитать тут, а кратко геопереходные орбиты делятся на:

• Условная «американская» (185х35786 км, 27°) с delta-V для перехода на ГСО 1804 м/с и похожие на неё китайская и японская
• Условная «европейская» (200х35786 км, 7°) с delta-V для перехода на ГСО 1500 м/с.

В СССР использовалось прямое выведение на геостационарную орбиту разгонным блоком. Выход России на рынок коммерческих спутниковых запусков означал необходимость адаптации к уже сложившимся стандартам. «Байконурская» геопереходная орбита (200х35786 км, 51,6°) требует разгона на 2430 м/с для вывода спутника на ГСО, что требовало бы модификации существующих спутниковых платформ и снижало бы конкурентоспособность. Поэтому наши разгонные блоки выводят спутники на специальную переходную орбиту, параметры которой сильно отличаются от «обычных» ГПО, но delta-V требуется «американская» или «европейская»:


В случае же вывода спутника с «Морского старта» геопереходная орбита 200х25786 км, 0° требует 1477 м/с для довыведения на ГСО.
Расчеты

Согласно вот этой методичке импульс для выхода с орбиты 200х200 км, 0° на ГПО 200х35786 км, 0° составляет 2454 м/с. Для выхода с ГПО на ГСО потребуется ещё 1477 м/с, а суммарная delta-V для выхода сразу на ГСО составит 3931 м/с. В случае использования «Ангары» в качестве разгонного блока могут использоваться «Бриз-М» или разрабатываемый сейчас КВТК. Массы пустых и полных блоков и удельный импульс двигателей известен, поэтому мы можем посчитать полезную нагрузку по формуле Циолковского:



где:

• V - конечная скорость (в данном случае, delta-V)
• I - удельный импульс (в м/с)
• M1 - начальная масса
• M2 - конечная масса

Преобразуя, получаем:


M1 нам известна - «Ангара А-5» выводит на низкую околоземную орбиту 24,5 т. Это допущение для простоты расчетов - в реальности используется выведение на незамкнутую орбиту с довыведением разгонным блоком. Также не забудем вычесть массу пустого разгонного блока из M2.

В результате расчетов получим:


Вывод очевиден - «Ангара» с «Морского старта» сможет выводить в полтора раза больше, чем «Зенит», а с перспективным кислородно-водородным блоком КВТК и в два раза больше.

За и против

В то же время не стоит думать, что нет аргументов за закрытие «Морского старта». Если составить список «за» и «против», он получится примерно таким:

Аргументы за адаптацию «Ангары» к «Морскому старту»:

1. Замена ракеты-носителя даст возможность продолжить проект.
2. «Ангара» сможет выводить в два-три раза больше спутников за пуск, чем «Зенит», увеличив доходы от коммерческих пусков.
3. Чем больше серия ракет-носителей, тем дешевле они будут стоить. Кроме этого, дополнительные заказы - это дополнительные рабочие места в высокотехнологической отрасли.
4. Чем больше стартовых комплексов у «Ангары», тем больше гибкость задач и выше вероятность её дальнейшей долгой и счастливой эксплуатации.
5. Наземную базу комплекса теоретически можно перевести из Калифорнии, например, в Бразилию. В этом случае коммерческие запуски можно совместить с сотрудничеством с Бразилией в её космической программе. Для справки - Бразилии крайне не везёт с космической программой - в 2003 году у них произошел взрыв разрабатываемой ракеты на стартовом столе, погибли люди. А после отказа от идеи делать ракету самостоятельно Бразилия решила сотрудничать с Украиной и запускать ракету-носитель «Циклон-4» с космодрома в Алькантаре. Первый запуск изначально планировался в 2013, но на сегодня новостей о прогрессе работ не слышно.

Аргументы за закрытие «Морского старта»:

1. Остановка проекта означает прекращение расходов на него. «Лошадь сдохла - слезь».
2. Адаптация новой ракеты к уже построенному под другую ракету стартовому комплексу - это очень большие деньги и много времени. Нет каких-то факторов, которые категорически запрещают возможность такого действия, но оправданы ли большие расходы?
3. Стоимость пуска серийной «Ангары» пока что не известна. Если ракета будет стоить в три раза дороже «Зенита», то даже при выводе двух спутников экономического смысла в проекте не будет.

К сожалению, степень значимости этих аргументов опирается на данные, которыми мы не располагаем. Так что нам, простым сторонним зрителям, остается следить за новостями - что же в итоге будет с «Морским стартом»?