Настоящая концепция
развития СВ является результатом инициативной научно-технической работы "Перспективные средства выведения
космических аппаратов", завершённой в организации "Энергообменные технологии" (Санкт-Петербург) в 2002 году.
Концепция представляет собой организационно-техническое решение, демонстрирующее возможности отечественной
ракетно-космической промышленности в условиях системной организации её деятельности. Отличительной особенностью
концепции является ориентация не на интересы отдельных предприятий, а на интересы как направления деятельности,
так и отрасли в целом.
Наша концепция оказалась наиболее цельной и сбалансированной из всех предложений по развитию
ракетно-космической техники России, и остаётся таковой сегодня (с поправкой на состояние предполагаемых участников).
Её реализация позволила бы загрузить
профильной работой ведущие российские организации, участвующие в космической деятельности.
Постановка задачи
В основу исследований был положен неочевидный, но оказавшийся продуктивным подход, заключающийся в том,
что главной задачей
развития системы СВ является её структурное совершенствование с целью достижения органичного соответствия со структурой
базиса. Это значит, что развитие системы СВ должно быть подчинено в первую очередь собственным интересам - интересам
структуры и своего научно-производственного базиса,
и во вторую очередь - обеспечению спроса в услугах СВ.
Правомерность такого подхода объясняется следующим:
1. На момент инициации работы ситуация в отрасли характеризовалась неопределённостью и отсутствием целевых задач. В такой
обстановке долгосрочное планирование на основе текущей коньюктуры не имело смысла.
2. Временной цикл жизни средств выведения значительно больше периода формирования текущего спроса на них.
3. Создание средства выведения требует как больших капитальных затрат, так и значительного времени их освоения, зачастую
превышающего период формирования спроса на СВ.
4. Строить системы, в том числе экономические, исходя из баланса спроса и предложения - методологическая ошибка. Рыночные
механизмы полезны для регулирования эксплуатационной сферы деятельности, а в основе системной организации лежат совсем
иные принципы.
Вопрос о системном развитии в период кризиса.
Работа задумывалась и проводилась в период резкого сокращения заказов на производство ракетно-космической
техники. Поэтому вполне уместен был вопрос:
возможно ли системное развитие в период сокращения функциональной деятельности?
Для ответа на него нужно понять, что системное развитие - это развитие структуры системы, сопровождающееся
включением в неё функционально новых элементов и оптимизацией связей. При этом объём функциональной
деятельности системы
может и сокращаться. Развитие и усложнение системы в период
кризиса повышает её живучесть и перспективы на будущее, в то время, как её упрощение (деградация) в силу
необратимости развития статистически приводит к обратному результату. Данный вывод, однако, основывается на том,
что естественное системное развитие не бывает спонтанным, а вызывается потребностью оптимизации
внутри- и околосистемных процессов; искусственное развитие также не должно быть произвольным,
а следовать законам и правилам естественного развития.
Теоретически такое развитие должно иметь своей целью увеличение линейно
независимых связей, что на практике приведёт к повышению возможностей системы.
Тогда системное развитие в период кризиса функциональной деятельности возможно и подразумевает
следующую стратегию:
Сокращение функциональной деятельности - урезание базиса системы за счёт элементов, задействованых в
линейно зависимых процессах - системная организация, сопровождающаяся системным развитием - расширение
функциональной деятельности за счёт новых направлений и новых свойств системы.
Важнейшим моментом системного конструирования является определение базиса, который задаёт
максимальные параметры
возможного роста структуры системы. В общем случае базис
производственной отрасли включает производственные мощности, исследовательскую материальную базу,
научные знания, средства технического обеспечения деятельности, технологический опыт
и кадры, объединённые в коллективы. Чем сложнее область деятельности, тем большее значение приобретают кадры.
Предложенная стратегия затрагивает прежде всего производственные мощности и кадры, которые на момент создания концепции
были избыточны, при этом сохраняются и развиваются исследовательская и технологическая часть базиса, наиболее
квалифицированные кадры и основные виды производств. Концепция требовала увеличения финансирования отрасли в 1,5-2
раза, что на наш взгляд, окупилось бы уменьшением социальных и системных издержек.
Альтернативой системному развитию могла бы быть управляемая деградация структуры системы, сопровождающаяся
её конгломерированием, что могло быть проведено и при сокращении расходов на космонавтику, но в силу ряда причин
она не состоялась. Нынешние структурные преобразования в космической отрасли проводятся на уже деградировавшем базисе,
не имеют внятного обоснования и едва ли приведут к серьёзным результатам даже при значительном увеличении финансирования.
Поиски решения
Анализ грузопотока в космос показал, что более половины грузов, доставляемых российскими носителями и
РН "Зенит" на низкую орбиту составляют жидкие грузы - топливо и вода. При этом основная масса топлива заключена в
разгонных блоках,
предназначенных для выведения аппаратов на высокие орбиты и отлётные траектории. Отсюда следовало, что грузопоток
можно разделить на сырьевую и высокотехнологичную составляющие, поручив эти задачи разным средствам выведения.
В результате совокупность средств выведения преобразовывалась в систему СВ, основанную на их глубокой специализации.
Благодаря существенно различным физико-экономическим свойствам видов грузов, появлялись значительные различия в
требованиях к свойствам специализированных СВ. Это позволяло надеяться на заметный эксплуатационный экономический
эффект в-основном за счёт двух факторов:
1. Уменьшения стоимости доставки на низкую орбиту сырьевых грузов.
2. Отработки надёжности выведения спутников связи на геостационар на носителе меньшей размерности.
Ключевым вопросом такого решения являлась возможность создания средства доставки жидких/сырьевых грузов с высокими
экономическими характеристиками (низкая стоимость выведения килограмма груза) и приемлемыми затратами на создание.
Предпосылкой к последнему является тот факт, что сырьевые грузы поддаются любому разумному дроблению без потери
свойств, из
чего следует возможность оптимизации размерности такого СВ. Основные факторы сокращения затрат на
создание СВ из-за уменьшения размерности следующие:
1. Общее уменьшение стоимости натурной отработки издения.
2. Увеличение доли использования ранее отработанных технических решений и средств.
3. Повышение эффекта от использования многоразовых элементов из-за увеличения темпа
эксплуатации СВ.
Наиболее подходящее по свойствам СВ решение пришлось на область авиационно-космических средств
горизонтального старта. Такие средства разрабатывались давно, но не нашли воплощения из-за малой востребованности
той величины выводимого груза, которая получалась при приемлемых размерности средства и затратах на его создание.
Выделение сырьевой составляющей грузопотока меняет ситуацию - эффективное средство, часто доставляющее малые порции
груза на орбиту становится востребованным.
Результаты
В качестве средства доставки сырьевых грузов предложена двухступенчатая авиационно-космическя
система горизонтального старта, использующая в качестве 1-й ступени дозвуковой самолёт-носитель, и в качестве второй
- многоразовый ракетный аппарат с одноразовым топливным баком. Эту систему можно считать уменьшенным аналогом
грузового варианта Многоцелевой АКС разработки НПО "Молния" с осесимметричной компоновкой 2-й ступени. К тому
времени по средству выведения такого типа имелся достаточно объёмный научно-технический задел, показавший его
экономическую эффективность.
Однако, наши исследования показали возможность дальнейшего повышения эффективности этой системы,
в результате было предложено оригинальное техническое решение, основанное на использовании энергии образования
полезного груза, получаемого из компонентов топлива, для увеличения удельного импульса двигательной установки.
Аппарат, использующий такую технологию, мог выводить на низкую орбиту на 25% больше груза при условии, что
этим грузом будет вода. По доле выводимого груза такой аппарат, имея многоразовую основу, приближался к
грузовому одноразовому варианту МАКС-Т.
Вся остальная стратегия создания системы СВ строилась на использовании на орбите дешёвой воды,
что предполагало:
1. Широкое использование последних ступеней РН на кислородно-водородном топливе.
2. Дооборудование этих ступеней средствами дозаправки в космосе.
3. Переработку воды на орбитальной станции в компоненты топлива, их хранение и наличие заправочного комплекса.
По совокупности свойств доставка и переработка воды в жидкие кислород и водород предпочтительнее
доставки готовых компонентов кислородно-водородного топлива, иные виды топлив имеют меньшую энергетическую
эффективность.
Важным следствием создания такой системы стало бы резкое сокращение потребностей в тяжёлых
носителях, что оставило бы без дела производителя РН "Протон" - ГКНПЦ им. М.В.Хруничева. Поэтому было признано
важным развитие технологического ряда носителей "Ангара" на основе унифицированных ракетных модулей. При этом
была предложена оригинальная версия развития технологического ряда с использованием однобаковых модулей и
перелива компонентов топлива. Такой ряд охватывал диапазон полезных грузов от 4 до 40 т.
Технические решения по средству доставки воды на орбиту и технологическому ряду защищены патентами РФ.
Распределение работ
На момент создания Концепции
предполагалось следующее
распределение направлений деятельности:
1. Орбитальная заправочная станция - РКК "Энергия"
2. Многоразовый космический танкер - ОАО "Молния"
3. Технологический ряд носителей - ГКНПЦ им. Хруничева.
Распределение объёмов работ по этим направленям довольно близко отражает роль указанных организаций,
требует минимума структурных изменений
и опирается на их
технологический задел и традиционные, освоенные направления работ. Под все направления развития, предложенные в
Концепции, имелись коллективы квалифицированных кадров, знакомых с тематикой работ, соответствующие
технологии, опыт и накопленные знания!
В настоящее время состав участников нуждается в пересмотре,
так как творческий потенциал ОАО "Молния" в значительной степени утрачен,
а само предприятие было исключено из системы Российского авиационно-космического агенства в момент его
преобразования в ФКА и практически перепрофилировано.
Экономические последствия решения
Концепция предполагает отказ от сверхтяжёлых ракет-носителей и не требует
авиационно-космических систем большой размерности. Это позволит отказаться от больших затрат как на
разработку носителей большой размерности и других неперспективных СВ, так и на строительство стартовых
комплексов для них, перераспределив средства в пользу создания полезных грузов.
Сравнение способа доставки спутников на геостационарную орбиту, использующего
орбитальную заправку, с обычным показало, что он на ~20-30% экономически выгоднее уже при грузопотоке,
равном российской доле от мирового грузопотока на геостационар в конце 1990-х - начале 2000-х годов.
Системные последствия решения
Самым важным следствием работы оказалось, что предлагаемая система средств выведения
не только более эффективна
сама по себе, но и способна конкурировать с экваториальным стартом при запуске спутников на геостационарную орбиту.
Этот неожиданный сюрприз имеет стратегическое значение для нашей страны.
Другим важным эффектом создания предложенной системы становится
существенное возрастание возможностей по выведению на ГСО и отлётные траектории аппаратов больших масс. Такие задачи, как
пилотируемые полёты на Луну и экспедиция на Марс становятся реальными и экономически неразорительными в части обеспечения
средствами выведения.
Технические достижения
Концепция аппарата для доставки на орбиту воды позволила расширить представления о возможностях
жидкостных ракет-носителей. Оказалось, что можно преодолеть ранее считавшиеся предельными достижимыми величины коэффициента
полезного груза на ощутимую величину - до ~25%. Впервые за несколько десятков лет изобретён маршевый ракетный
двигатель на жидком топливе нового
типа, имеющий существенно более высокие характеристики.