Приведены основные причины популярности разработок ракет-носителей легкого класса. Произведено сравнение разработок России и Европейского космического агентства — РН Союз-2.1в и РН Vega. Проведён расчет основных параметров ракет-носителей — скорости Циолковского и коэффициента полезной нагрузки.
Ключевые слова: ракета-носитель, космический аппарат, ступень, полезная нагрузка, скорость Циолковского.
Развитие космонавтики на современном этапе потребовало запуска космических аппаратов (КА) малых размеров и массы, которые выполняют работу в области связи, телекоммуникации, навигации, дистанционного зондирования Земли. Для выведения подобных КА применяются в основном ракеты-носители (РН) легкого класса. В связи с большой потребностью многих стран в таких КА этот класс РН стал активно использоваться, что привело к разработке и созданию новейших РН легкого класса. Рассмотрим подробнее и сравним разработки России и Европейского космического агентства — РН Союз-2.1в и РН Vega.
«Союз-2.1в» является ракетой лёгкого класса, с грузоподъёмностью порядка 2800 кг на низкую (200 км) околоземную орбиту. Модификация ранее была известна как «Союз-1». Является глубокой модернизацией ракеты «Союз‑2.1б», кроме того, двухступенчатой, без использования четырёх боковых блоков [1].
По сравнению с вариантом «Союз-2.1б» в качестве двигателя центрального блока используется жидкостный ракетный двигатель закрытого цикла НК-33–1 разработки СНТК им. Н. Д. Кузнецова, обладающий более чем вдвое большей тягой, по сравнению с используемым на «Союз-2.1а» и «Союз-2.1б» РД-108А. «Союз-2.1в» может использоваться с блоком выведения «Волга», разрабатываемым «ЦСКБ-Прогресс». Блок имеет двигательную установку на компонентах НДМГ-АТ, развивающую тягу 2,94 кН (0,3 тс) и обеспечивающую удельный импульс 307 с. Длина блока 1,025 м, диаметр 2,72–3,2 м. Стартовая масса 1140–1740 кг, сухая — 840 кг. Масса выводимой полезной нагрузки на ССО — 1500 кг. Основные характеристики ступеней РН «Союз-2.1в» приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные характеристики РН «Союз-2.1в»
|
Общая информация |
Характеристика |
Первая ступень— Блок А |
Вторая ступень— Блок И |
|
|
Количество ступеней |
2 |
Масса конструкции |
9 300 кг |
2 700 кг |
|
Длина |
44 м |
Тяга |
180 тс на уровне моря |
30,00 тс на уровне моря |
|
Диаметр |
3 м |
Масса топлива |
118 700 кг |
23 300 кг |
|
Стартовая масса |
157 000 кг |
Время работы |
210 с |
300 с |
|
*Полезная нагрузка |
НОО: 3 000 кг COO: 1 500 кг |
Удельный импульс в вакууме |
2943 м/с |
3522 м/с |
|
Полная масса |
157 т |
|||
Произведем расчет параметров ракеты:
рассчитаем скорость Циолковского (максимальная скорость летательного аппарата,которой он достигает во время полета) для РН Союз-2.1в [2]:
,
где 
— удельный импульс тяги 
(рассчитывается для каждой ступени исходя из извесной тяги, массы топлива и времени работы ступеней)
относительная конечная масса;
— масса конструкции
;
масса топлива;
масса полезной нагрузки; 
полная масса ракеты.
Рассчитаем коэффициент полезной нагрузки 
:
Вега (англ. Vega; итал. Vettore Europeo di Generazione Avanzata) — лёгкая ракета-носитель, совместно разрабатываемая с 1998 года Европейским космическим агентством (ESA) и Итальянским космическим агентством (ASI). Ракета названа в честь второй ярчайшей звезды северного полушария.
Полезная нагрузка РН «Вега» составляет 1500 кг на полярную орбиту высотой 700 км. РН разработана для вывода полезной нагрузки на низкую опорную орбиту и солнечно-синхронную орбиту [3]. В отличие от большинства одноклассных РН, «Вега» способна выводить сразу несколько космических аппаратов. Основные типы аппаратов, являющиеся потенциальной загрузкой:
– Микроспутники — до 300кг;
– Миниспутники — от 300 до 1 000 кг;
– Малые спутники — от 1 000 до 2 000 кг.
РН Vega cостоит из 4 ступеней, 3 из которых Zefiro-23, Zefiro-9, P80 оснащены твердотопливными двигателями, а AVUM — ЖРД, топливом для которого служит несимметричный диметилгидразин с окислителем азотный тетраоксид. Технологии, используемые в Р80, в дальнейшем будут использованы для разработок РН «Ариан». Основные характеристики ступеней РН «Вега» приведены в табл. 2.
Таблица 2
Основные характеристики РН «Вега»
|
Общая информация |
Характеристика |
Первая ступень P80 |
Вторая ступень Zefiro 23 |
Третья ступень Zefiro 9 |
Четвертая ступень AVUM |
|
|
Количество ступеней |
4 |
Тяга, кН |
2261 |
871 |
260 |
2,42 |
|
Длина |
30 м |
Масса конструкции, кг |
7330 |
2850 |
1315 |
147 |
|
Диаметр |
3 м |
Время работы, с |
110 |
77 |
120 |
667 |
|
Стартовая масса |
137 000 кг |
Масса топлива, кг |
88 365 |
26 000 |
10 500 |
550 |
|
Полезная нагрузка |
НОО: 1500 кг |
Удельный импульс в вакууме, м/с |
2747 |
2820 |
2903 |
3095 |
|
Полная масса, кг |
138 557 |
|||||
Рассчитаем скорость Циолковского для РН Vega:
Рассчитаем коэффициент полезной нагрузки :
РН Союз–2.1в превосходит европейский РН в показателе полезной нагрузки, что видно по коэффициенту полезной нагрузки (
у Союз-2.1в против 
у Vega), но идеальная скорость у РН Vega выше чем у РН Союз-2.1в (10 339,8 м/с > 10 124,7 м/с). РН Vega имеет 4 ступени против 2 у Союз–2.1в, что понижает надёжность этого РН, но стоимость запуска РН Vega гораздо ниже(5 млн $ < 10,5–14,5 млн $), что при запуске космических аппаратов небольшой массы будет играть решающую роль.
Литература:
- Союз-2 (семейство ракет-носителей) // Википедия. [2012–2016].URL: http://wikiredia.ru/wiki/ (дата обращения: 12.06.2019).
- Павлюк,Ю. C. Баллистическое проектирование ракет: Учебное пособие / Ю. С. Павлюк. –Челябинск: Изд. ЧГТУ,1996. –92 с.
- «Вега”(ракета-носитель) // Онлайн энциклопедия «Википедия”. [2012–2016]. URL: http://wiki-org.ru/ (дата обращения: 12.06.2019).
