Конструктивно-компоновочная схема ракеты-носителя «Протон-м»
1 - головной обтекатель; 2 - полезная нагрузка; 3 - разгонный блок; 4 - бак окислителя 3-й ступени; 5, 9, 15 - гаргрот; 6 - бак горючего 3-й ступени; 7 - двигательная установка 3-й ступени; 8 - переходный отсек; 10 - бак окислителя 2-й ступени; 11 - тоннельная труба расходного трубопровода окислителя; 12 - бак горючего 2-й ступени; 13 - двигательная установка 2-й ступени; 14 - переходная фермwxdа; 16 - силовой конус бака горючего 1-й ступени; 17 - бак окислителя 1-й ступени; 18 - датчик СОБ; 19 - бак горючего 1-й ступени; 20 - нижние демпферные перегородки бака горючего 1-й ступени; 21 - хвостовой отсек бокового блока; 22 - двигательная установка 1-й ступени
От «Протона-К»до «Протона-М»
Требования рынка космических запусков к средствам запуска имеют строго определенную тенденцию к увеличению массы космических аппаратов. Анализ запускаемых на геопереходную орбиту (ГПО, орбита с параметрами Ha=35786 км, Hp=5500 км, i=25°) аппаратов за последние 13 лет показал равномерный рост массы аппаратов (см. диаграмму 1). Если в 1985 г. средняя масса спутника составляла порядка 4000 фунтов (1800 кг), то в 1999 г. эта величина достигнет 8500 фунтов (3850 кг). Если эта тенденция сохранится, то к 2005 г. средняя масса КА, выводимых на ГПО, составит 10000 фунтов (около 4500 кг). Причем разброс этой величины составит ±1500 фунтов (±680 кг).
По прогнозам некоторых аналитиков, массы некоторых КА могут достичь 12000 фунтов (5500 кг). С учетом этого ГКНПЦ им. М.В.Хруничева еще в 1992 г. приступил к модернизации РН 8К82К «Протон-К» и созданию новой РН 8К82КМ «Протон-М». В 1994 г. началось создание нового разгонного блока 14С43 «Бриз М». В этом и следующем годах начнутся летно-конструкторские испытания.
Основные отличия «Протона-К» от «Протона-М» состоят в следующем: – использование вместо разгонного блока (РБ) серии ДМ (производство РКК «Энергия» им. С.П.Королева) нового РБ «Бриз М» (производство Центра Хруничева) с улучшими энергетическими и габаритными характеристиками; – использование форсированных на 7% двигателей I ступени РН 14Д14 и на 5% двигателей II ступени 8Д411К (3 шт.) и 8Д412К (1 шт.); – усиление конструкции хвостового отсека III ступени и переднего отсека II ступени; – облегчение конструкции ускорителей I, II и III ступеней за счет использования новых конструкционных материалов; – создание нового негерметичного приборного отсека из углепластиковых композиционных материалов; – создание новой системы управления РН (НИИ АП, главный конструктор Юрий Трунов) на базе бортовой вычислительной машины (масса СУ составит всего около 200 кг). Для этой СУ будет не нужна наземная система наведения. Она позволит оптимизировать алгоритмы управления, повысит экологичность РН за счет более полной выработки топлива и снижения остатков на 40%; – создание новой системы измерения уровня топлива, которая сократит остатки.
Э
Диаграмма
1. Прогноз динамики изменения массы
коммерческих
полезных нагрузок,
выводимых на ГПО
Для «Протона-М» с РБ «Бриз М» разработаны два типа головных обтекателей (ГО): удлиненный (длина – 13783 мм, диаметр – 4100 мм) на базе головного обтекателя модулей станции «Мир» (рис. 1, 1) и стандартный (длина – 12183 мм, диаметр – 4100 мм) (рис. 1, 2).
Создается и обтекатель для групповых пусков на низкую орбиту длиной 18920 мм и диаметром от 4500 до 4350 мм (рис. 1, 3). В этом варианте запусков на «Протоне-М» РБ «Бриз М» будет использоваться без сбрасываемого бака. В состав головной космической части войдут верхний и нижний диспенсеры и переходной отсек. На низкую орбиту высотой 450 км и наклонением 51.6° «Протон-М» в такой комплектации сможет доставить 16600 кг полезной нагрузки, из которых 3000 кг приходится на диспенсеры и переходный отсек. ГО для групповых пусков на низкую орбиту и система разделения могут быть применены и для парных пусков КА на ГПО.
Заключительным этапом модернизации «Протона» станет создание криогенной верхней ступени – КВРБ (Кислородно-водородного разгонного блока). С этим блоком «Протон-М» сможет выводить на ГПО полезные нагрузки массой 6800 кг. Пока разрабатывается два варианта блока с различными двигательными установками: с генераторной (вариант двигателя RL10А-4-1 или -2) и безгенераторной (вариант двигателя КВД-1 для индийского разгонного блока 12КРБ) схемах. Генераторный двигатель использует основные компоненты топлива для работы ТНА и подачи компонентов в камеры, безгенераторный двигатель использует специальное топливо для работы ТНА. Для запусков КВРБ разработан новый ГО увеличенного диаметра с одновременным сбросом верхних (диаметром 5000 мм) и нижней (диаметром 4100 мм) частей створок (рис. 1, 4).
К середине марта уже закончена стендовая отработка всех систем, в т.ч. ДУ и СУ «Бриза М». Заканчиваются комплексные испытания первого летного блока. По «Протону-М» были изготовлены аналоги для наземной отработки. В апреле планировалось начать отработку СУ. Идет изготовление первого летного изделия.
Предусмотрен поэтапный переход с РН «Протон-К» на РН «Протон-М» в течение 1999–2000 гг. В рамках программы «Протон-М» Центр Хруничева уже выполнил один пуск. Это был запуск 4 ноября 1998 г. КА PanAmSat 8. При пуске PAS-8 масса полезной нагрузки, выводимой на низкую орбиту, составила 20100 кг вместо нормальных 19784 кг. Это было достигнуто форсированием двигателей на первой ступени на 2% и на второй ступени – на 5%.
Достижение максимальной энергетики комплекса «Протон-М»/«Бриз М» в 5500 кг на ГПО планируется лишь к седьмому полету РБ «Бриз М» и к четвертому полету РН «Протон-М». Первые три пуска «Бриза М» состоятся с «Протоном-К». При этом масса полезной нагрузки составит 4620 кг. При первом пуске 28 апреля 1999 г. на РН будет установлен РБ 14С43 «Бриз М» и КА «Грань». Пуск в начале сентября будет коммерческим: РН с РБ 11С43 выведет на орбиту спутник LMI-1. Наконец, третий пуск в конфигурации «Протон-К» + «Бриз М» будет выполнен в конце 1999 г. по федеральной космической программе.
|
Диаграмма 2. Изменение грузоподъемности РН «Протон-М» в ходе летно-конструкторских испытаний |
При этих пусках будет еще одно ограничение массы полезной нагрузки, связанной с используемым адаптером. Для пусков «Бриза М» на «Протоне-К» будет использоваться адаптер от блока ДМ с максимальной массой ПН 4800 кг. Этот адаптер через специальный переходник будет крепиться на «Бризе М». В настоящее время разрабатывается новый моноадаптер для «Бриза М» с несущей способностью 5500 кг.
При четвертом пуске в марте 2000 г. впервые будет использована конфигурация «Протон-М»/«Бриз М». За счет использования «Протона-М» с новой СУ и с форсированными двигателями будет достигнута масса полезной нагрузки 5020 кг. В состав головной части будет входить удлиненный ГО и разгонный блок «Бриз М». Пуск будет выполнен по федеральной космической программе.
При следующем пуске в июне 2000 г. РН «Протон-М» с РБ «Бриз М» выведет на орбиту спутник Intelsat 901. В этом пуске за счет уменьшения объема телеметрической аппаратуры масса полезной нагрузки будет доведена до 5080 кг. В третьем пуске «Протона-М» за счет применения новых материалов в конструкции РБ и использования стандартного обтекателя масса полезной нагрузки вырастет до 5230 кг. Этот пуск запланирован на июль 2000 г. с КА GE-6.
Наконец, при четвертом пуске «Протона-М» за счет использования новых материалов в конструкции сухих отсеков РН масса ПН возрастет на 130 кг, а из-за оптимизации времени сброса ГО – еще на 140 кг. В этом пуске и будет достигнута расчетная масса полезной нагрузки для системы «Протон-М»/«Бриз М» в 5500 кг. Этот пуск с КА GE-2A планировался на август 2000 г., но из-за задержек с полезной нагрузкой может быть задержан до I квартала 2001 г. Этапы повышения грузоподъемности РН семейства «Протон» с РБ «Бриз М» показаны на диаграмме 2.
На тот же 2001 г. намечено начало летно-конструкторских испытаний КВРБ, при котором масса, выводимая на ГПО, уже составит 6800 кг. Подготовка РН «Протон-М», РБ «Бриз М» и КВРБ будет вестись на космодроме Байконур в МИК 92А-50.
Однако проводится модернизация и хорошо известного и широко применяемого как для федеральных, так и для коммерческих пусков варианта «Протон-К»/блок ДМ. Во-первых, стоит сказать, что пуск трех КА «Ураган» 30 декабря 1998 г. состоялся на блоке типа ДМ с новой ДУ, доработанной с учетом аварийного пуска КА Asiasat 3 25 декабря 1997 г. До этого проводились пуски на РБ ДМ3 с доработанной старой ДУ.
|
Рис. 1. Головные космические части РН «Протон-М»: удлиненный ГО (1), стандартный ГО (2), ГО для групповых запусков на низкую орбиту (3), ГО и блок КВРБ (4) (слева направо). Рис. автора |
Начиная с августа 1999 г. (коммерческий запуск КА ACeS/Garuda) на системе «Протон-К»/блок ДМ начнет реализовываться новая схема выведения. Она предусматривает трехимпульсное включение блока ДМ. Первое включение будет проводиться еще на активном участке полета РН для выхода головной части на опорную орбиту. Оно будет происходить после отделения третьей ступени «Протона-К» и длиться около 300 сек. Затем блок ДМ будет проводить штатные два включения для перехода на ГПО. При этом длительность остальных включений останется прежней. Новая схема выведения позволит увеличить максимальную массу полезной нагрузки, выводимой на ГПО, с 4350 до 4950 кг. Причем старая двухимпульсная схема из-за ограничения по минимальной массе топлива, необходимого для второго включения, позволяет выводить на ГПО аппараты массой лишь 4100 кг. При трехимпульсной же схеме масса спутников будет лежать в диапазоне 4400–4800 кг. Нижняя граница этого диапазона тоже обусловлена минимально допустимой при последнем (третьем) включении блока ДМ массе топлива (не менее 2 т), а верхняя граница – несущей способностью имеющихся переходных систем и элементов РБ.
В принципе, схема с доразгоном для выхода на низкую орбиту уже использовалась на «Протоне-К» в случаях запуска межпланетных станций. Впервые такая схема должна была применяться в 1969 г. при пусках АМС М-69. В последний раз она должна была быть реализована при пуске АМС «Марс-8» по программе М-96. Однако во всех этих случаях проводилось только два включения ДУ разгонного блока: доразгон для выхода на опорную орбиту и переход на межпланетную трассу. Вопросы же создания новой схемы выведения на ГПО заключались в разработке нового программного обеспечения и подтверждении надежности РБ при трех импульсах.
Чтобы восполнить пробел между массами 4100 и 4400 кг на ГПО, в 1999 г. будет разработана версия №2 программного обеспечения трехимульсной схемы выведения. В случае версии №2 максимальная масса полезной нагрузки, выводимой на ГПО, составит 4700 кг, однако из-за указанных выше ограничений по минимальной массе топлива для последнего включения эта версия как раз и позволит «прикрыть» диапазон 4100–4400 кг.
Тем не менее, несмотря на новые возможности системы «Протон-К»/блок ДМ, количество таких запусков будет постепенно сокращаться, а количество «Протон-М»/ «Бриз М» – расти. Так, если в 1998 г. было выпущено только шесть «Протонов-К», а в 1999 г. планируется выпустить восемь «Протонов-К» и один «Протон-М», то уже в 2000 г. это соотношение должно стать 6:6 соответственно, в 2001 г. – 4:8, а в 2002 и 2003 гг. планируется выпускать два «Протона-К» и 10 «Протонов-М». В таком же темпе будет нарастать производство блоков «Бриз М» в Центре Хруничева и сокращаться заказ блоков ДМ в РКК «Энергия».
В результате модернизации РН семейства «Протон-К»/«Протон-М» удастся создать различные варианты носителя, способного выводить полезные нагрузки в очень широком диапазоне масс (до 6800 кг), проводить парные запуски на ГПО и групповые запуски на низкие околоземные орбиты.
Список использованной литературы:
1)журнал «Новости космонавтики» выпуск 1998г.№11
2)журнал «Новости космонавтики» выпуск 1999г.№5
3)Интернет