Космический потенциал российской конверсии

 ОТ РЕАКТИВНЫХ «ГЕРАНЕЙ» К МНОГОРАЗОВОЙ АРТИЛЛЕРИЙСКО-КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
 Конверсия промышленного и технологического потенциала беспилотной авиации для создания нового класса космических транспортных аппаратов

 1. Новая возможность для российской промышленности

Развитие производства реактивных беспилотных летательных аппаратов, в том числе семейства «Герань», создало в России определённую промышленную и технологическую базу, которую можно рассматривать не только с точки зрения её первоначального военного назначения, но и как потенциальную основу для масштабной конверсии.

Речь идёт не о том, чтобы просто переоборудовать существующий беспилотник в космический аппарат. Авиационный беспилотник\крылатая ракета и орбитальный транспорт имеют принципиально разные задачи, условия эксплуатации и требования к конструкции. Однако накопленные компетенции в производстве небольших реактивных двигателей, систем управления и навигации, автоматизации, корпусных конструкций, материалов, серийной сборки и организации кооперации могут стать отправной точкой для создания нового направления промышленности.

Предлагается рассмотреть более масштабную задачу: использовать промышленный опыт производства реактивных беспилотников для создания семейства многоразовых космических транспортных аппаратов, предназначенных в т. ч. для доставки малых спутников на низкие орбиты, проведения орбитальных экспериментов, возвращения оборудования и выполнения специальных транспортных операций.

Главная идея состоит в переходе от производства относительно недорогих одноразовых аппаратов к созданию серийных многоразовых систем, способных выполнять сотни и тысячи космических рейсов.

При этом наиболее перспективным направлением может стать разработка не традиционной одноразовой ракеты, а единого капсульно-ракетного комплекса, который после выведения спутников на предназначенные им орбиты, - самостоятельно возвращается на Землю, проходит обслуживание и снова используется.

2. Что можно перенести из производства «Гераней», а что придётся создавать заново

Промышленная ценность конверсии заключается прежде всего в использовании уже освоенных производственных процессов и компетенций.

К перспективным направлениям переноса относятся:

- организация массового выпуска относительно сложных но сравнительно малозатратных летательных аппаратов;
- освоенные технологии производства небольших реактивных двигателей и их компонентов;
- автоматизированные системы управления и навигации;
- бортовая электроника и системы контроля;
- технологии изготовления корпусных конструкций;
- серийная сборка и контроль качества;
- кооперация предприятий по выпуску двигателей, электроники, материалов и комплектующих;
- накопленный опыт сокращения стоимости изделия за счёт автоматизации, унификации и масштабирования производства.

Однако перенос этих технологий не решает автоматически главных задач космического полёта.

Космический аппарат должен выдерживать совершенно другие нагрузки, работать в вакууме, переносить температурные перепады, обеспечивать точное управление движением и выполнять сложные операции на орбите. Его конструкция должна учитывать не только вывод полезной нагрузки, но и возвращение на Землю с сохранением работоспособности.

Поэтому речь должна идти о создании нового класса аппаратов на основе промышленного опыта реактивного беспилотного производства, а не о прямом переоборудовании существующих «Гераней».

 3. Три направления будущей космической конверсии

В рамках такой программы можно развивать три взаимосвязанных направления.

Первое — малые орбитальные транспортные аппараты.

Их назначение — доставка небольших спутников, приборов и экспериментального оборудования на низкие околоземные орбиты. Основное преимущество такого направления — возможность серийного производства и регулярного выполнения относительно небольших транспортных заказов.

Второе — возвращаемые лабораторные аппараты.

Они предназначены для проведения экспериментов в условиях космоса с последующим возвращением оборудования, образцов и результатов исследований на Землю. Это может быть востребовано в материаловедении, биотехнологиях, производстве специальных материалов и испытаниях новых приборов.

Третье — многоразовые орбитальные транспортные системы.

Это наиболее масштабное направление. Оно предполагает создание аппаратов, которые способны доставлять полезную нагрузку на орбиту, выполнять заданные операции, а затем возвращаться на Землю для повторного использования.

Именно третье направление предлагается сделать основой большого промышленного проекта. При этом все три направления могут использовать общую производственную базу, унифицированные системы управления, электронные компоненты, материалы и технологии обслуживания.

4. Основной проект: единый многоразовый капсульно-ракетный комплекс

Наиболее оригинальная часть предлагаемой концепции — создание единого капсульно-ракетного комплекса, запускаемого с помощью специальной артиллерийской установки.

Принципиально важно, что речь идёт не о запуске обычного снаряда, который затем отделяется от ракеты, и не о традиционной схеме с одноразовой ракетной ступенью. Предлагается единый функциональный комплекс, в котором капсула и ракетная двигательная система составляют одну транспортную систему на протяжении всего полёта.

На первом этапе специальная артиллерийская установка сообщает комплексу начальный импульс и обеспечивает его выход на высоту не менее 100 километров. После ослабления действия первоначального импульса включаются бортовые ракетные двигатели. Они продолжают разгон комплекса и обеспечивают дальнейший подъём до заданной орбиты.

После выхода на орбиту высотой примерно 300–400 километров комплекс выполняет основную транспортную задачу: размещает на орбите спутники и отделяет их в заданной последовательности.

Затем тот же самый капсульно-ракетный аппарат использует предусмотренные конструкцией ресурсы двигательной системы для выполнения операций по сходу с орбиты и возвращению на Землю. Он должен прибыть в назначенный район, выполнить посадку, пройти техническое обслуживание и подготовиться к следующему "выстрелу-полёту".

Таким образом, основной объект программы — не одноразовая ракета, а т. н. челнок - многоразовый космический транспортный аппарат, который выполняет полный цикл: старт, выход на орбиту, доставку спутников, возвращение и повторное использование.

Артиллерийская установка в этой концепции является самостоятельным элементом транспортной инфраструктуры и выполняет функцию первоначального выведения комплекса. Её проектирование, испытания и эксплуатация должны рассматриваться как отдельная высокотехнологичная задача с соответствующими требованиями к безопасности и сертификации.

При этом достижение высоты 100 километров само по себе ещё не означает выхода на орбиту. Для орбитального движения необходимо обеспечить требуемую горизонтальную скорость. Следовательно, бортовая ракетная система должна решать не только задачу дальнейшего подъёма, но и задачу орбитального разгона, а также сохранять необходимый ресурс для возвращения аппарата.

5. Основные технические трудности и задачи разработки

Проект имеет потенциально значительные преимущества, но его реализация потребует решения ряда сложных инженерных задач. Их необходимо учитывать с самого начала, а не откладывать до этапа опытных полётов.

Переход от начального импульса к ракетному полёту.

Комплекс должен сохранять устойчивость и управляемость после первоначального разгона. Необходимо обеспечить надёжную последовательность перехода к работе бортовой двигательной системы, контроль состояния аппарата и возможность выполнения дальнейшей программы полёта.

Масса и прочность конструкции.

Конструкция должна выдерживать нагрузки первоначального запуска, последующего разгона, орбитального полёта и возвращения. Одновременно необходимо сохранить достаточную полезную нагрузку. Это одна из ключевых задач, от которой будут зависеть экономика и эффективность всей системы.

Двигательная система и энергетический баланс.

Двигательная система должна обеспечивать достижение орбиты, выполнение необходимых манёвров, сход с орбиты и возвращение. Нельзя рассчитывать только на энергию первоначального запуска: орбитальная доставка и возврат требуют отдельного энергетического и массового бюджета.

Тепловая защита.

При запуске и частично, при возвращении из космоса аппарат сталкивается с интенсивным нагревом. Поэтому необходима специальная система теплозащиты, испытанная в условиях реальных температурных и механических нагрузок. Её свойства должны сохраняться после многократных циклов эксплуатации.

Автономность и управление.

Аппарат должен самостоятельно контролировать своё положение, состояние систем, последовательность выполнения операций и возвращение в заданный район. Важнейшими требованиями станут отказоустойчивость, резервирование и возможность контроля с наземных пунктов.

Повторное использование.

Сам факт возвращения ещё не означает готовности к следующему полёту. Необходимо добиться того, чтобы после посадки аппарат можно было осмотреть, проверить, обслужить и вновь запустить без капитального восстановления. Экономический смысл проекта во многом зависит от реального количества повторных циклов.

6. «Пластичный хром» как отдельная программа повышения ресурса

Особое место в проекте может занять направление материаловедения, связанное с применением разработок пластичного хрома и хромсодержащих покрытий изобретателя Виктора Петровича Хвостенко.

Для многоразовой транспортной системы силы трения и ресурс артиллерийских стволов, механических узлов, соединений, направляющих, элементов приводов и других деталей имеет принципиальное значение. Чем дольше такие элементы сохраняют свои свойства, тем ниже затраты на обслуживание и замену компонентов.

Поэтому технологии пластичного хрома целесообразно рассматривать как отдельную программу повышения скорости и дальности снарядов-ракетных капсул, износостойкости и долговечности деталей, работающих в условиях трения и повторяющихся нагрузок.

Особенно перспективными могут быть исследования в следующих областях:

- повышение износостойкости стволов и деталей;
- снижение потерь от трения в подходящих узлах;
- увеличение срока службы стволов и отдельных механических компонентов;
- повышение устойчивости покрытий к тепловым и циклическим нагрузкам;
- разработка технологий восстановления и повторной обработки деталей.

При этом важно не смешивать разные задачи. Износостойкое покрытие не заменяет теплозащитную систему космического аппарата. Для применения в космической технике такие материалы должны отдельно пройти испытания на адгезию, термо-циклирование, окисление, вакуумную и радиационную совместимость, усталостную прочность и сохранение свойств после многократной эксплуатации.

Таким образом, пластичный хром может стать ключевым фактором обеспечения артиллерийского запуска ракетной капсулы на высоту не менее 100 км., а также одним из элементов общей программы повышения ресурса и снижения стоимости обслуживания, но его конкретные области применения должны определяться результатами испытаний.

7. Масштаб промышленной программы: 5 000 запусков и 50 000 спутников ежегодно

Проект приобретает особое экономическое значение при переходе от единичных запусков к регулярному массовому обслуживанию рынка малых спутников.

В качестве целевого ориентира предлагается рассмотреть выполнение 5 000 запусков в год. При размещении на каждом аппарате десяти микроспутников это позволит доставлять на орбиту до 50 000 спутников ежегодно.

Если масса одного спутника составляет 10–15 килограммов, полезная нагрузка одного рейса составит 100–150 килограммов. Общая годовая масса доставляемой полезной нагрузки достигнет 500–750 тонн.

Это уже не небольшая экспериментальная программа, а масштабная транспортная отрасль, требующая серийного производства аппаратов, развитой наземной инфраструктуры, системы обслуживания и постоянного потока заказов.

Для организации такой программы можно рассмотреть несколько специализированных  (континентальных) стартовых площадок.
 Такой режим потребует высокой степени автоматизации, стандартизации операций и чёткого разделения процессов подготовки, запуска, приёма и обслуживания возвращаемых аппаратов.

В качестве предварительной модели парка можно рассмотреть 15 многоразовых комплексов: десять в регулярной эксплуатации и пять в резерве, техническом обслуживании или подготовке. Если расчётный ресурс каждого аппарата составит до 500 циклов, то при равномерной загрузке основной парк должен будет обеспечивать несколько тысяч рейсов в год.

Все эти показатели являются целевыми параметрами программы, а не подтверждёнными характеристиками уже существующей техники. Их достижение возможно только после последовательных испытаний и подтверждения реального ресурса аппаратов.

Отдельного внимания требует надёжность. Если успешными окажутся 99,5% из 5 000 запусков, это даст около 4 975 успешных миссий и 49 750 доставленных спутников при десяти спутниках на рейс. Поэтому для гарантированного достижения показателя 50 000 доставленных спутников необходимо предусмотреть резерв запусков и учитывать не только надёжность самого аппарата, но и вероятность успешного отделения каждого спутника.

8. Предварительная экономическая модель

Для оценки масштаба проекта можно использовать условные целевые показатели стоимости.

Предположим, что заказчик платит 500 000 долларов за доставку партии из десяти спутников. Тогда при 5 000 запусков годовая выручка составит:

- 500 000 долларов за один рейс;
- 5 000 рейсов в год;
- 2,5 миллиарда долларов годовой выручки.

Если целевая себестоимость одного рейса будет доведена до 400 000 долларов, годовые операционные затраты на выполнение 5 000 рейсов составят 2 миллиарда долларов.

Предварительный результат:

| Показатель | Значение |
|---|---:|
| Количество запусков в год | 5 000 |
| Спутников на один запуск | 10 |
| Количество доставляемых спутников | 50 000 |
| Цена одного рейса | $500 000 |
| Годовая выручка | $2,5 млрд |
| Целевая себестоимость рейса | $400 000 |
| Условные годовые затраты | $2 млрд |
| Разница между выручкой и затратами | $500 млн |

Эти расчёты показывают потенциальный масштаб бизнеса, но не являются готовым финансовым обоснованием. В них ещё предстоит учесть капитальные затраты на разработку и строительство стартовых площадок, испытания, страхование, наземное оборудование, управление полётами, финансирование резервного парка, амортизацию и непредвиденные расходы.

Кроме того, стоимость доставки должна быть подтверждена сравнением с действующими предложениями операторов космических запусков. Низкая цена сама по себе не обеспечит конкурентоспособность: заказчику важны гарантии, расписание, точность выведения, сохранность спутников и возможность регулярно получать транспортную услугу.

Поэтому экономическая цель программы — не просто добиться дешёвого запуска, а создать надёжную и массовую систему космической логистики.

 9. Международная конкуренция и рыночная ниша

На мировом рынке уже работают крупные операторы, предлагающие доставку спутников на орбиту. Среди них SpaceX, Rocket Lab, китайские космические компании и европейские проекты.

Конкурировать с ними исключительно за счёт стоимости запуска будет сложно. Их преимущества связаны с накопленным опытом, испытанной техникой, инфраструктурой и сформировавшейся клиентской базой.

Поэтому предлагаемая система должна искать собственную нишу.

Её потенциальное преимущество — регулярная доставка небольших партий спутников с последующим возвращением самого транспортного аппарата. Дополнительную ценность могут представлять возврат экспериментального оборудования, доставка специальных грузов, выполнение орбитальных операций и обслуживание заказчиков, которым не требуется аренда большой части ракеты-носителя.

При этом рыночный спрос на 50 000 спутников ежегодно нельзя считать гарантированным. Для выхода на такой объём потребуются международные заказчики, производители спутников, операторы связи, научные организации и государственные программы. Необходимо также учитывать ограничения по частотам, орбитальным позициям, регистрации космических объектов и предотвращению образования космического мусора.

10. Организационные, правовые и экологические препятствия

Проект такого масштаба невозможно реализовать усилиями одного предприятия. Потребуется государственная программа, объединяющая производителей двигателей, материалов, электроники, систем управления, космической техники, наземного оборудования и средств контроля.

Необходимы единые технические требования, система сертификации, независимая оценка безопасности, подготовка специалистов и долгосрочное финансирование.

Серьёзным препятствием могут стать экспортные ограничения, санкции, доступ к электронной компонентной базе, страхование космических операций и международное признание результатов испытаний.

Отдельный вопрос — безопасность стартовых площадок и возвращения аппаратов. Для такой системы необходимо заранее определить допустимые районы эксплуатации, зоны безопасности, процедуры прекращения полёта при нештатных ситуациях, контроль воздушного пространства и меры защиты населения и окружающей среды.

Массовая доставка спутников также требует ответственного отношения к орбитальной инфраструктуре. Необходимо предусмотреть гарантированное завершение срока службы спутников, предотвращение столкновений и контроль за объектами, остающимися на орбите.

Наконец, важно учитывать, что артиллерийская часть проекта представляет собой самостоятельную сложную инженерную и инфраструктурную задачу. Её нельзя оценивать только по возможности достижения заданной высоты. Необходимы подтверждение безопасности, надёжности, повторяемости запусков и совместимости с требованиями к космическому аппарату.

11. Этапы реализации

Реализацию программы целесообразно разделить на несколько последовательных этапов.

Первый этап — промышленная и технологическая оценка.

Провести инвентаризацию предприятий и технологий, связанных с производством реактивных беспилотников. Определить, какие компоненты и производственные процессы могут быть использованы в гражданской космической программе, а какие требуют создания заново.

Второй этап — создание демонстраторов отдельных систем.

Проверить работу материалов, элементов конструкции, электроники, систем управления и технологий повторного обслуживания. Отдельно провести исследования пластичного хрома и определить области его реального применения.

Третий этап — создание опытного многоразового транспортного аппарата.

Разработать и испытать космический челнок, т. е. единый капсульно-ракетный комплекс, предназначенный для полного цикла транспортной операции. Главным критерием станет не единичный успешный полёт, а подтверждение возможности возвращения, обслуживания и повторного применения.

Четвёртый этап — отработка артиллерийско-ракетной схемы.

Проверить совместимость первоначального артиллерийского выведения с последующим включением бортовых двигателей и продолжением полёта. На этом этапе особое значение имеют безопасность, устойчивость переходных режимов и подтверждение энергетического баланса всей системы.

Пятый этап — опытная доставка спутников.

После подтверждения работоспособности комплекса перейти к небольшим партиям спутников, постепенно увеличивая количество полезной нагрузки и частоту миссий.

Шестой этап — промышленное масштабирование.

Только после подтверждения ресурса, надёжности, стоимости обслуживания и реального спроса переходить к созданию нескольких стартовых площадок, расширению парка аппаратов и выходу на целевые показатели в 5 000 запусков ежегодно.

12. Россия как потенциальный участник нового рынка космической логистики

Предлагаемая программа интересна не только как технический эксперимент. Она может стать основой для создания нового промышленного направления, объединяющего беспилотную авиацию, ракетно-космическую технику, материаловедение, электронику, автоматизацию и серийное машиностроение.

Важнейший ресурс для начала такой работы — уже существующая промышленная кооперация, опыт массового производства реактивных беспилотников и возможность использовать накопленные компетенции в гражданских проектах.

Однако главным результатом должна стать не формальная конверсия существующих изделий, а создание принципиально нового транспортного продукта — многоразового космического аппарата, который выполняет полный цикл доставки и возвращения.

В этой концепции соединяются несколько направлений: промышленный опыт реактивных «Гераней», разработка нового капсульно-ракетного комплекса, специальная артиллерийская установка для первоначального выведения на высоту не менее 100 километров, дальнейший ракетный разгон до орбиты, доставка спутников, возвращение аппарата и его повторное использование.

Показатели в 5 000 запусков и 50 000 спутников ежегодно задают масштаб возможной промышленной программы. Цель в 500 циклов эксплуатации одного аппарата и предварительная модель рыночной цены рейса в 500 тысяч долларов формируют ориентиры для инженерных и экономических расчётов.

Эти параметры ещё предстоит подтвердить. Но именно постановка такой комплексной задачи позволяет перейти от разрозненных разработок к обсуждению полноценной отрасли космической транспортной логистики.

Главная идея проекта — превратить накопленный опыт производства реактивных беспилотников в основу для создания массовой многоразовой космической транспортной системы. Не просто выпускать аппараты, а создать новую инфраструктуру, способную регулярно доставлять спутники на орбиту, возвращать транспортные комплексы на Землю и многократно использовать их в последующих миссиях.