В ожидании пуска электрического «Электрона»

В 9 утра понедельника по новозеландскому времени (21:00 GMT, 23:00 MSK) открывается десятидневное стартовое окно для первого запуска легкой ракеты-носителя Electron. В Новой Зеландии сейчас ветрено, и вывоз ракеты на старт уже успели перенести как минимум на вторник. Несмотря на небольшую грузоподъемность, Electron отличается высокой концентрацией современных технологий — композитные баки, 3D-печать двигателей и принципиально новая идея привода турбонасосов от электродвигателя.

Как росли ракеты

Питер Бек рядом с ракетой РН Electron и экспериментальные ракеты на заднем плане, фото Rocket Lab

Ракету Electron разрабатывает компания Rocket Lab, которую в 2006 году основал Питер Бек (Peter Beck). Юридически это американская частная компания с новозеландским филиалом. В 2009 году они запустили геофизическую ракету Ātea-1 (на языке маори «космос») и утверждают, что стали первой частной компанией, достигшей космоса в южном полушарии. Теоретически ракета должна была подняться на 100-120 км, первая ступень отработала нормально, и на ней были обнаружены следы успешного разделения, но головную часть не сумели найти после полета, и достижение остается под вопросом.

На старом сайте можно найти планы создания геофизической ракеты Ātea-2, но после успеха 2009 года фирмой заинтересовались в DARPA. Следующие несколько лет Rocket Lab разрабатывала ракетные технологии в сотрудничестве с Lockheed Martin, DARPA и Министерством Обороны США. В 2010 году было испытано новое топливо. В баке оно хранилось в твердом виде, но, когда на бак оказывалось давление, топливо превращалось в вязкую жидкость и могло подаваться в камеру сгорания. Таким образом, оно должно было сочетать достоинства твердого топлива (удобное хранение одного компонента) и жидкого (возможность управления тягой и перезапуска двигателя).

В 2011 году испытания проходил компактный дрон с ракетной тягой. Небольшую ракету мог запустить солдат с вытянутой руки, а картинка со спускающегося на парашюте дрона должна была помочь вести бой в условиях сильно пересеченной местности, например, в городе.

К 2013 году компания оказалась на распутье. Можно было и дальше зарабатывать на оборонных контрактах, но Бек мечтал о коммерческом космосе. Собрав дополнительные инвестиции, Rocket Lab приступила к разработке новой ракеты-носителя. В 2013 году был успешно испытан двигатель с подачей компонентов при помощи электромоторов, и был анонсирован проект Electron. В 2014 году был проведен второй раунд сбора инвестиций. В 2015 году стало известно, что при производстве двигателя будет широко использоваться 3D-печать, а сам двигатель получил имя «Резерфорд» (Rutherford) в честь физика новозеландского происхождения. Также в том же году началось строительство космодрома на полуострове Махиа (залив Хок, Северный остров Новой Зеландии)


Анимация planetary.org

Расположение в восточной части острова позволит без проблем выводить полезную нагрузку на солнечно-синхронную или низкую околоземную орбиту — в южном и восточном направлении на многие сотни километров раскинулся океан, в который можно, ни с кем не договариваясь, ронять отработанные ступени.

В 2016 году ракета прошла наземные испытания, а космодром был достроен. Первый полет ракеты-носителя Electron был назначен на 2017 год. И за прошедшие 4,5 месяца Rocket Lab успела провести очередной раунд сбора инвестиций и уже стала получать заказы на коммерческие пуски.

Композитная электроракета

Ракета Electron, фото Rocket Lab

Electron — двухступенчатая ракета-носитель высотой 17 метров и диаметром 1,2 метра. При начальной массе в районе 12,5 тонн она будет способна вывести 150 кг на полярную орбиту высотой 500 км. Типичная солнечно-синхронная орбита обычно выше, 600-800 км, там грузоподъемность будет пониже. Также, при необходимости, ракета может вывести 225 кг на орбиту 180х300 км с наклонением 45°. 


Скриншот официального сайта Rocket Lab


Хвостовая часть первой ступени со снятой крышкой двигательного отсека, фото Rocket Lab

Первая ступень высотой 12,1 метра имеет сухую массу 950 кг и несет 9250 кг топлива. На ней стоят девять двигателей Rutherford (более подробно о них ниже) суммарной тягой 16,5 тонн на старте. Максимальная тяга ступени в полете должна будет достигнуть 19,5 тонн, а удельный импульс двигателей на уровне моря составит 303 секунды. По плану полета первая ступень должна будет проработать 2,5 минуты. На ступени около двигателей установлены 13 батарейных сборок суммарной мощностью больше мегаватта.


Вторая ступень. У края ступени слева от двигателя виден блок двигателей ориентации. Фото Rocket Lab

Вторая ступень высотой 2,1 метра имеет сухую массу 250 кг и несет 2150 кг топлива. На ней стоит один двигатель Rutherford с высотным соплом, тягой 2,2 тонны и удельным импульсом 333 секунды. Двигатель второй ступени по плану должен работать чуть меньше пяти минут. На ступени установлены три батарейных блока, два из которых будут сбрасываться в полете по мере исчерпания, чтобы облегчить ступень.

Конструкция ракеты-носителя отличается следующими особенностями:


Двигатель Rutherford, фото Rocket Lab

Электрический привод двигателя. Это первый двигатель, для привода турбонасоса которого используются электрический мотор и литий-полимерные батареи. Турбонасос нужен для того, чтобы непрерывно подавать в камеру сгорания большие объемы топлива. В существующих двигателях его обычно приводят в действие отдельной небольшой камерой сгорания (газогенератором), где сжигают те же компоненты топлива, что и в основном двигателе. Отдельная камера сгорания и турбина, работающая на ее выхлопе, — очень сложная вещь, и для частных ракетных компаний привлекательны более доступные альтернативы. У турбонасоса Rutherford два вентильных двигателя постоянного тока «размером с банку газировки», которые вращаются со скоростью 40000 оборотов в минуту и развивают мощность 37 кВт каждый. Один двигатель качает жидкий кислород, другой — керосин. Удельная плотность энергии современных литий-ионных батарей достигла такого уровня, что сэкономленные на отказе от газогенератора, турбины и топлива для их работы килограммы становятся сравнимы с весом батарей.

По словам Питера Бека они сумели поднять эффективность турбонасосов с 50% газогенератора до 95%, но это явно маркетинговый ход, потому что приведена эффективность только части двигателя. В то же время двигатель в целом получился эффективным, по удельному импульсу (303 секунды на уровне моря/333 секунды в вакууме) он сравним с советским/российским НК-33 (297/331 секунд) и не сильно отстает от нашей вершины кислородно-керосинового двигателестроения РД-180 (311/338 секунд).

3D-печать. Как заявляют в Rocket Lab, двигатель Rutherford — первый, у которого все основные компоненты печатаются на 3D-принтере. Принтеры на лазерном и электронном спекании используют титан и Инконель (никель-хромовый жаропрочный сплав). В результате один двигатель печатается за 24 часа.


Тестовая заправка 16 мая, фото Rocket Lab

Композитные материалы. Баки обеих ступеней композитные. Учитывая, что один из баков удерживает под давлением очень холодный жидкий кислород, а низкие температуры стремятся сделать материал хрупким, это немалое достижение. Композитные баки заметно легче и дешевле металлических, на них сейчас стремятся перейти и другие ракетостроители.


Адаптер полезной нагрузки и половина головного обтекателя, фото Rocket Lab

Обтекатель с доставкой. Интересное новшество предлагает Rocket Lab в области процессов подготовки спутника к запуску. Обычно спутники привозят в цех компании, занимающейся пуском, устанавливают на адаптер полезной нагрузки и закрывают обтекателем. Rocket Lab предлагает доставку единого блока адаптера полезной нагрузки и створок обтекателя в цех заказчика, чтобы он мог установить спутник на адаптер в удобных ему условиях. Затем закрытые или кондиционируемые модули перевозятся в монтажно-испытательный комплекс Rocket Lab и устанавливаются на ракету.

Заключение

Цель Rocket Lab — стоимость одного пуска в $5 миллионов. При том, что стоимость запуска «взрослых» ракет начинается от примерно 60 миллионов долларов ($62 млн. у SpaceX на 2018 год), предложение Rocket Lab будет потенциально выгодным для тех, у кого есть небольшой спутник, целевая орбита низкая околоземная или полярная, и нет времени ждать попутчиков на ракету-носитель средней грузоподъемности.

Первый пуск — волнительное событие. Несмотря на всю подготовку нет стопроцентной гарантии успеха. Но Rocket Lab продемонстрировала очень серьезный подход для ракетного стартапа, провела множество испытаний, в том числе и полностью собранных ступеней, и их будущее кажется многообещающим.

источник