Почему метан?

На сегодняшний день для первых ступеней перспективных ракет-носителей разрабатываются двигатели на паре метан — кислород, планы использовать сжиженный природный газ как ракетное топливо — мировой тренд. Применять на ряде своих ракет версию двигателя "Раптор" на сжиженном газе собирается компания SpaceX. Именно метановые двигатели, считают в американской компании, должны отправить первых землян на Марс. Еще один двигатель на метане BE-4 разрабатывается другой частной компанией США Blue Origin для использования, в частности, на ракете "Вулкан" от United Launch Alliance.

Метан — это в первую очередь дешевое топливо, его переработка и использование широко освоено другими отраслями промышленности, что позволяет использовать уже готовые инфраструктурные решения. Например, не нужно разрабатывать какие-то особые хранилища для метана на наземном комплексе "Амура" — будут взяты стандартные конструкции ПАО "Газпром". Более того, всего в 50 километрах от Восточного в рамках контракта с Китаем строится газоперерабатывающий комплекс "Газпрома" (Амурский ГПЗ), от которого на старт "Амура" достаточно протянуть ветку газопровода. Заправка ракеты топливом станет еще дешевле.

Кроме хорошей "экономики", сжиженный газ имеет целый ряд технических преимуществ. Метан — самое удобное топливо для многоразовых ракет. При сгорании, в отличие от керосина, сжиженный газ дает крайне мало сажи. С метаном элементы двигателя не придется очищать от несгоревших остатков топлива. Высокая охлаждающая способность метана позволит убрать лишний нагрев двигателя во время работы. Плюс метан обеспечит больший удельный импульс.

Метан часто критикуют за его низкую плотность. Считается, что из-за этого придется делать бак больше, что приведет к увеличению массы всей ракеты и проигрышу по полезной нагрузке. "Эти заявления не соответствуют действительности — при охлаждении до сверхнизких температур, сжиженный газ уплотняется достаточно, чтобы использовать баки стандартных объемов", — пояснил Блошенко.

С большой головой

Как рассказал Пшеничников, по предварительным расчетам, метановый "Амур" получит взлетную массу около 360 тонн, высота ракеты будет достигать 55 метров, диаметр составит 4,1 метра. Носитель будет иметь возвращаемую первую ступень и вторую однократного использования, обе будут оснащаться метановыми двигателями. Многоразовый блок получит посадочные штанги, а также аэродинамические решетчатые рули. Это оборудование может быть снято для запуска в традиционной одноразовой версии. С возвращаемой ступенью "Амур" будет способен выводить на низкую околоземную орбиту до 10,5 тонн полезного груза, против 8,5 у ракет серии "Союз-2". В одноразовом варианте "Амур" поднимет на туже орбиту уже 12,5 тонн.

"Одной из характерных особенностей новой ракеты станет большой головной обтекатель, его диаметр составит до 5,1 метра. Мы закладываем характеристики по обтекателю таким образом, чтобы он мог отвечать требованиям современных и перспективных космических аппаратов, кроме того, предполагается обеспечить повторное включение второй ступени или ее глубокое дросселирование, что, в свою очередь, обеспечит возможность кластерных запусков. Все эти решения направлены на повышение конкурентоспособности создаваемого изделия", — пояснил Пшеничников.

По подсчетам отраслевых институтов, деталей в ракете "Амур" будет минимум в два раза меньше, чем в серии ракет сходного класса "Союз-2" — предварительно, 2 тыс. деталей в "Амуре", против 4,5 тыс. деталей в "Союзах". В качестве примера специалисты привели топливный бак будущей ракеты — он фактически будет один для двух разных компонентов топлива, просто разделенный перегородкой. Это связано с тем, что температура сжижения метана и кислорода примерно одинакова.

В результате мы существенно упрощаем конструкцию и уменьшаем число сборочных единиц — по сравнению с "Союзом" их будет примерно в два раза меньше. Это важно с точки зрения надежности, а мы бы хотели, чтобы у нас ракета была безотказной, как автомат Калашникова
Александр Блошенко
исполнительный директор Роскосмоса по перспективным программам и науке

"Амур" может получить опцию так называемого горячего резервирования, что существенно повысит надежность носителя. На первой ступени ракеты планируется разместить пять метаново-кислородных двигателей РД-0169А, разрабатываемых сейчас в воронежском Конструкторском бюро химавтоматики. Номинальная тяга данных двигателей предполагается на уровне 100 тонн. "Нами предполагается наличие форсажного режима для двигателей первой ступени, что позволит реализовать схему так называемого горячего резервирования — при выходе из строя одного из двигателей остальные в автоматическом режиме нарастят свою мощность, чтобы обеспечить продолжение полета", — отметил Блошенко.

Надежность носителя за счет существенного снижения числа деталей ракеты, а также при наличии горячего резервирования, отмечают специалисты Роскосмоса, должна достичь 0,99. Для сравнения: для большинства существующих в мире ракет с большой статистикой стартов этот показатель не превышает 0,98.

Зажечь 300 раз и не сжечь

На первом этапе летных испытаний планируется обеспечить не менее десяти полетов многоразовой первой ступени "Амура". Однако в перспективе предполагается запускать одну ступень до 100 раз. При этом центральный двигатель первой ступени, который будет отвечать за ракетно-динамическую посадку, должен включиться в общей сложности 300 раз. "Центральный двигатель будет отвечать за посадку ступени обратно на Землю. В каждом полете он будет работать три раза: сначала он будет зажигаться при старте ракеты, второй раз двигатель будет срабатывать при торможении возвращаемой ступени в плотных слоях атмосферы, третий раз он будет запускаться уже у самой земли при мягкой посадке на "ноги". Если мы хотим запускать в будущем многоразовую ступень 100 раз, то центральный двигатель должен быть рассчитан, соответственно, на 300 запусков", — отметил Пшеничников.

Главный эксперт уточнил, что для создания такого двигателя Роскосмос не будет проводить 300-кратные испытания на Земле, а воспользуется цифровыми методами моделирования. "По сегодняшним нормам мы, с учетом цели в 300 включений, должны взять несколько десятков двигателей и довести их практически до отказа, но я не представляю себе такой объем наземных испытаний. Соответственно, будем по-другому подходить к оценке качества и надежности двигателей, в том числе с помощью методов математического моделирования", — сообщил Пшеничников.

Вторая ступень "Амура" получит тот же двигатель, но с четырьмя камерами сгорания с маркировкой РД-0169В. Его тяга повысится  примерно до 110 тонн. На второй ступени будет размещаться один такой двигатель. Как отметил Блошенко, создавать возвращаемую версию второй ступени не планируется, так как навесное оборудование для ее возвращения, например крыло, а также необходимость оставить топливо для третьего и второго запуска двигателя резко снизят так называемое конструктивное, или, по-другому, массовое, совершенство ступени (отношение веса заливаемого в ступень топлива к весу ее конструкции, чем выше полученный коэффициент, тем лучше — прим. ТАСС). Снижение массового совершенства второй ступени, в свою очередь, приведет к резкому снижению выводимого в космос груза и нивелирует всю потенциальную экономию от спасения второй ступени. 

Площадки на побережье

Первая ступень "Амура" будет возвращаться на посадочные площадки, расчет места строительства которых сейчас ведется баллистиками в зависимости от траекторий полета новой ракеты с космодрома "Восточный". "Изначально мы придерживаемся существующих согласованных районов падения ступеней "Союза-2", но будем уточнять места посадки в рамках проектирования. Уже понятно, что посадочных площадок будет несколько, в том числе на самом Восточном. Несколько площадок будут располагаться на территории Хабаровского края, ближе к побережью Охотского моря", — рассказал Пшеничников.

По его словам, после торможения в атмосфере ступень будет снижаться в район подготовленной площадки, маневрировать для точной посадки, затем открывать посадочные штанги и мягко приземляться за счет третьего включения центрального двигателя. Тут же на месте будет проводиться первичное техническое обслуживание многоразового блока ракеты. Как уточнил специалист, "на площадке будет минимум оборудования для первичного удаления компонентов топлива, через специальные технические отверстия будут подключаться шланги для выкачивания оставшихся паров метана и кислорода".

Затем дежурный расчет посадочной площадки сложит штанги и рули ступени и обеспечит ее погрузку в транспортный контейнер. Перевозиться обратно на космодром блок будет двумя возможными способами — на внешней подвеске тяжелого транспортного вертолета Ми-26 или на грузовой платформе по железнодорожной ветке (при ее наличии в районе площадки приземления).

По прибытии ступени в монтажно-испытательный комплекс (МИК) Восточного будет проводиться ее внешний осмотр, а также проверка работоспособности основных узлов и агрегатов двигателя. "Также мы планируем широко применять методы неразрушающего контроля, потому что разбирать двигатель ступени не имеет смысла. То есть в саму конструкцию многоразовой ступени будет включена необходимая и достаточная система датчиков, которая с гарантией позволит оценить ее состояние без демонтажа деталей", — отметил Блошенко.

Как сообщил Пшеничников, создание морской посадочной платформы для "Амура" пока не рассматривается, так как погодные условия Охотского моря сильно затрудняют стабильную эксплуатацию такой плавучей площадки. "Однако посадку в море с последующим подхватом ступени, в том числе спецсудами, мы не исключаем и будем рассматривать в рамках эскизного проекта", — добавил специалист.

В свою очередь, Блошенко отметил, что Росмосмос, как заказчик, не ограничивает разработчика проекта в способах спасения и транспортировки ступени обратно на космодром. Не исключено, что будет отработан и альтернативный вариант посадки ступени — по-самолетному — за счет использования складываемых крыльев. "Что касается транспортировки ступени с площадки приземления, то если разработчики докажут, что мы можем, например, эффективно использовать роботов по типу Boston Dynamics для выноса многоразового блока в район МИК на своих "спинах", то почему бы и нет", — шутит исполнительный директор.

Облегченный автоматический старт

Совершенно новая идеология будет заложена для нового стартового комплекса под метановую ракету, отмечают представители Роскосмоса. Для "Амура" не планируется строить капитальные сооружения в соответствии с требованиями советского образца.

Мы хотим создать максимально облегченный стартовый комплекс, без подземного города с хранилищами на случай военных угроз. Его конструкция будет упрощена, в том числе с точки зрения требований стартового стола к потенциальным нагрузкам, для коммерческой ракеты это ни к чему. Это также большая экономия средств
Игорь Пшеничников
главный эксперт Департамента перспективных программ и проекта "Сфера" госкорпорации, ответственный за реализацию проекта "Амур-СПГ"

Другая причина обособления инфраструктурного комплекса метанового носителя на Восточном — должен быть обеспечен высокий уровень сервиса для заказчиков, гостей и туристов, создана открытая и комфортная смотровая площадка. "Коммерческая ракета должна располагаться в открытом для посещения зарубежными заказчиками месте, чтобы повести их на экскурсию, показать им монтажно-испытательные комплексы, где будут готовиться их аппараты. Также планируется туристическая инфраструктура на этом комплексе, гостиницы, места для проведения экскурсий, хорошая современная смотровая площадка для наблюдения за запуском", — отметил главный эксперт Департамента перспективных программ и проекта "Сфера".

Еще одно отличие старта "Амура" — полностью автоматический комплекс. Эта концепция предполагает, что с установленной на старт ракетой люди не должны проводить никаких операций. "Сейчас, например, у "Союза-2" до последнего момента боевой расчет находится на старте, специалисты ходят по фермам и выполняют большое число процедур. Здесь же будет полностью автоматический старт", — отметил Пшеничников. Специалист пояснил, что подобный подход не только повысит безопасность подготовки, во многом исключив человеческий фактор, но также поможет сэкономить на трудозатратах.

Развернутый бизнес-план

Первый пуск нового носителя запланирован уже через шесть лет. "Согласно принятому плану, мы должны обеспечить пусковой минимум и, соответственно, первый старт ракеты "Амур" в 2026 году. Это будет сразу запуск с полезной нагрузкой", — сообщил Блошенко. Он подчеркнул, что впервые в отечественной истории ракетостроения заранее известно, сколько будет стоить данный старт: $22 млн.

"Впервые мы проектируем ракету под заданную стоимость, минимальная цена пусковой услуги составит $22 млн. Более того, поскольку цель всей этой работы — создать эффективное коммерческое изделие, то в проект закладывается разработка на этапе эскизного проектирования развернутого бизнес-плана. Будут привлекаться профильные компании-соисполнители, которые скажут, при каких условиях мы достигаем такой стоимости запуска, а также покажут четкие сроки выхода проекта на окупаемость с учетом состояния рынка пусковых услуг", — отметил исполнительный директор.

Он уточнил, что "общая стоимость создания ракеты — от подписания контракта на эскиз до первого старта в 2026 году — не превысит 70 млрд рублей".

Блошенко уточнил, что по принятому сегодня плану наземную отработку метанового двигателя планируется полностью завершить к концу 2024 года. Инфраструктура для "Амура" на Восточном, включая стартовый стол, будет возводиться параллельно с созданием ракеты и должна быть завершена непосредственно к дате первого запуска носителя.

Новый носитель, кроме прочих преимуществ, отметил Блошенко, в финале должен сократить "частокол" российских ракет — один "Амур" позволит работать на всем диапазоне нагрузок легких и средних ракет. В зависимости от места возврата первой ступени (по трассе полета или на космодром) можно выполнять пуски с оптимальной загрузкой. Сегодня средние и легкие носители занимают свыше половины всего рынка пусковых услуг, а с учетом развития крупных группировок космических аппаратов, включающих в том числе малые спутники (программы StarLink, OneWeb, "Сфера" и т.д.), эта доля будет только расти. "Если будут реализованы все ключевые показатели программы "Амур", мы планируем обеспечить большую часть коммерческих запусков в легком и среднем классе со своей новой ракетой", — заявил исполнительный директор корпорации.

В рамках дальнейшего развития программы "Амур" также рассматривается создание носителя с повышенной грузоподъемностью или использование первой метановой ступени ракеты в тяжелом носителе. "На базе блока первой ступени метановой ракеты уже есть предложения конструкторов по созданию ракеты повышенной грузоподъемности, которая уже будет весить больше 440 тонн и выводить на низкую орбиту свыше 17 тонн полезной нагрузки. Этот же блок также потенциально мог бы использоваться как боковой блок сверхтяжелой ракеты", — отметил Блошенко.