НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

НИИ КС им. А.А. Максимова – филиал ФГУП «ГКНПЦ имени М.В. Хруничева

МГТУ им. Н.Э. Баумана.

niiks@khrunichev.com

istomin.valery@gmail.com

Перспективная технология создания средств выведения космических аппаратов малой размерности

1. Основные положения перспективной технологии создания средств выведения космических аппаратов малой размерности

В качестве одной из перспективных технологий для создания средств выведения полезных нагрузок - космических аппаратов малой размерности различного назначения на большие высоты и дальности, в том числе, на околоземные орбиты может быть рассмотрена технология создания баллистических средств выведения, построенных на использовании принципа активно-реактивного движения. Данный принцип хорошо известен и нашел широкое применение в некоторых видах современных артиллерийских установок. Принцип действия таких баллистических активно-реактивных систем заключается в сообщении малогабаритной баллистической ракете требуемой начальной скорости с помощью специальной наземной баллистической установки, и в последующем доразгоне этой ракеты собственным реактивным двигателем.

В настоящее время при имеющемся научно-техническом заделе в ракетно-космической и артиллерийской технике, использовании современных технологий и материалов, освоенных отечественной промышленностью, и достаточном финансировании имеется принципиальная возможность создания баллистических активно-реактивных систем (как стационарных, так и подвижных, в том числе, размещенных на морских и речных судах), способных метать тела большой массы, в том числе и малогабаритные ракеты с начальной скоростью свыше 1500м/с при калибре ствола 300…700мм, его длине 20…40м и общей массе системы порядка 70…250т (в зависимости от ее типа – чисто пороховая или легкогазовая и применяемого материала при изготовлении). При этом на основе существующих технологий малогабаритные ракеты могут иметь массу порядка 1…5т при длине 3…7м, массе полезной нагрузки 50…200 кг и обеспечить приращение к начальной скорости при выходе из баллистической установки в конце участка выведения до 3000…5500м/с. Баллистическая установка с начальной скоростью выстрела порядка 1500м/с может быть построена на основе традиционных артиллерийских систем с использованием современных материалов, технологий, порохов и опыта создания крупнокалиберных (до 800мм) отечественных и зарубежных орудий с весом снарядов до нескольких тонн. В то же время, в перспективе, возможно создать легкогазовую баллистическую установку (на гелии или водороде), способную получить дульную скорость свыше 1500…2000м/с.

Малогабаритные баллистические ракеты, предназначенные для метания с использованием установки баллистических активно-реактивных систем, представляют собой модернизированные (в части массы и габаритов) последние ступени существующих баллистических ракет лёгкого класса. При этом, специфические условия их функционирования накладывают ряд ограничений на применение известных технологий ракетно-космической техники и выдвигают новые требования, как к конструкции, так и к отдельным бортовым подсистемам космического аппарата малой размерности.

Из всего комплекса условий функционирования определяющими являются большие перегрузки (до 10…15тыс.ед.), сопровождающие движение малогабаритной ракеты в канале ствола баллистической установки и сразу после вылета из него. Это по-новому ставит задачу обеспечения работоспособности конструкции космического аппарата малой размерности, двигательной установки ступени, специальной и служебной аппаратуры и играет решающую роль при формировании технического облика космического аппарата малой размерности.

В целом, баллистическая активно-реактивная система является перспективным средством доставки (выведения) полезной нагрузки и удовлетворяет возросшим современным требованиям по безопасности, затратам на эксплуатацию, удельной стоимости выполнения «транспортных операций», экологическому воздействию на среду.

С прикладной точки зрения привлекательным является относительно высокая «скорострельность» таких систем (пуски ракет с интервалом 5…10минут) и малая продолжительность (30…60сек) участка выведения ракеты при высокой средней скорости его прохождения (что существенно затруднит перехват ракеты).

В США по заказу Министерства обороны ведутся исследования возможностей вывода малых космических аппаратов на низкие орбиты путем комбинированного применения артиллерийских систем и ракет в рамках Программы сверхвысотных исследований (SuperHighAltitudeResearchProgram). В программе участвуют исследовательский отдел армии США и Баллистическая исследовательская лаборатория, дислоцированная на полигоне Абердин. В рамках программы проводились исследования пуска ракет с применением гладкоствольных артиллерийских установок, которыми служили перестволенные морские дальнобойные орудия.

В общей сложности в ходе выполнения программы осуществлено около 570 пусков ракет типа «Стриж» (Martlet). В частности, из 16-ти дюймовых орудий с длиной ствола 36м было выпущено около 200 ракет «Стриж 2S» со стартовой массой 84кг. Посредством этих ракет полезная нагрузка, состоявшая из научной аппаратуры, поднималась на высоту до 200км.

С помощью модифицированной ракеты «Стриж» со стартовой массой 1200кг и начальной скоростью выстрела 1500м/с из орудия сверхбольшого калибра на низкую околоземную орбиту (500…600км) выводилась полезная нагрузка массой 90кг. При пробных запусках была успешно испытана аппаратура при выстрелах с ускорением 10 тыс. ед., в частности, инфракрасный датчик горизонта, датчик скорости вращения, датчик положения Солнца, никель-кадмиевые аккумуляторы, систем ориентации и ряд электронных блоков.

Имея в виду инновационный характер исследуемого направления, ограничения технического характера и технологические трудности, работы по созданию предлагаемой отечественной системы могут быть проведены в 3 этапа в течение 3-4 лет:

1-й этап - определение технического облика баллистических активно-реактивных систем;

2-й этап - создание экспериментального образца установки и макета малогабаритной баллистической ракеты. Проведение наземной экспериментальной отработки системы;

3-й этап - проведение натурных испытаний.

Ниже представлен сравнительный анализ экономической эффективности альтернативных средств доставки космических  аппаратов малой размерности на низкие орбиты с помощью баллистических активно-реактивных систем и традиционных ракетоносителей.

2. Сравнительный анализ экономической эффективности средств доставки космических аппаратов малой размерности с помощью баллистической

активно-реактивной системы и традиционных ракетоносителей

Представленный материал содержит экспресс-анализ экономической эффективности альтернативных средств доставки космических аппаратов малой размерности на низкие орбиты с помощью баллистической активно-реактивной системы и традиционных ракетоносителей.

Анализ проведен на примере решения одной из приоритетных в настоящее время задач: построение и восполнение орбитальной группировки из 40 малых космических аппаратов (связь, ретрансляция, наблюдение, метеорология, научное направление, прикладные специальные задачи: доразведка локальных театров военных действий, экология и т.п.). Размерность (масса) малых космических аппаратов порядка 150 – 200 кг. Орбита: 300 - 500 км.

При проведении сравнительной оценки используется критерий эффективности (Э), в общем виде отражающий основные экономические показатели и технические характеристики проектов и имеющий следующий вид:

Э = f (С^Ʃ, П, К, Ц, В, N, Т),

где      С^Ʃ- суммарная стоимость выполнения задачи;

П- производительность предлагаемых средств доставки:

К - качество выполнения задачи;

Ц - целевая эффективность;

В- время выполнения задачи (год);

N - число потребного количества космических аппаратов;

Т - технический уровень проектов (массовые характеристики, назначение и аппаратный состав полезных нагрузок, конструктивные особенности, скорострельность, применяемые материалы и др.).

При условии, что при обоих способах доставки целевая эффективность и качество выполнения задачи фиксированы, критерий эффективности приобретает затратно - временной характер, имеет вид удельной стоимости выведения единицы полезной нагрузки и в процессе рекурсивного процесса разработки имеет тенденцию к минимизации, т.е.:

.

Представленный критерий позволяет провести укрупнённую оценку эффективности исследуемых проектов, положив производительность в качестве основополагающего показателя, отражающего вышеперечисленные экономические и технические характеристики.

Ниже проведена сравнительная оценка эффективности двух вариантов средств доставки полезных нагрузок по выбранному критерию.

2.1. Реализация задачи с помощью баллистической активно-реактивной системы:

- стоимость дорабатываемых элементов баллистической установки.

Укрупненный облик баллистических активно-реактивных систем:

М = 200 - 250 т. Предполагается, что основная  массогабаритная часть имеется (лафет, бетон, инженерные сооружения, командный пункт и пр.).

Масса дорабатываемых элементов – 30т. Калибр – 800мм. Снаряд-ракета: 3 – 5т. Полезная нагрузка 200кг. Скорострельность - 40 выстрелов за 90 дней: подготовка к выстрелу 1,5 дня + 10 доработок ствола (замена вставок и пр.) по 3 дня каждая.

^,

где  - коэффициент новизны дорабатываемых элементов. Принимается  = 1 для изделий, отличающихся значительной новизной (новые конструктивные и технологические решения, новые системы) и являющихся прототипом для создания нового поколения активно-реактивных систем;

 - коэффициент, учитывающий дополнительные затраты головного разработчика на доработку рабочей конструкторской документации, курирование производства, наземная экспериментальная отработка, отладки программно-методического обеспечения. Принимается  = 1,1;

 - коэффициент, учитывающий конструктивную сложность и технологические особенности производства (доработок больших конструкций), а также затраты  на сборку, изготовление запасных частей, инструментов и принадлежностей, а также контрольно-проверочные испытания. Принимается  = 1,2;

 – удельная стоимость изготовления сложных конструктивных элементов на примере близких аналогов (фортификационные орудия, элементы мощного привода, специфические системы управления и др.). Принимается  = 1,2 млн. руб./кг;

 – масса дорабатываемых элементов. Принимается = 30 т.

Итак:

- стоимость услуг по подготовке пуска – выстрела, затраты на инициирующий заряд, полигонные услуги, запасные части, инструменты и принадлежности.

где  - коэффициент, учитывающий затраты на подготовку и обеспечение выстрела.

Принимаем  = 5 – 10 % от

 - стоимость дооснащения ТП и НКУ.

Принимаем = 5 % от 

 - стоимость изготовления КА с учётом доработок конструкции, специальных и служебных систем под перегрузки в 3-5 тыс. ед. (до 10 тыс.ед.).

Принимаем 

где - коэффициент конструктивной и элементной усложнённости. Принимаем .

Таким образом:

и эффективность выполнения операции при условии выполнения задачи в течение 3-х месяцев (В₁ = 0,25)составит

2.2. Реализация задачи с помощью традиционного транспортного средства ракетоносителя типа «Рокот»: кластерный запуск 5 космических аппаратов×200 кг

- стоимость запуска одного ракетоносителя типа «Рокот».

Интенсивность запусков (с учётом дооснащения стартовой позиции, технической позиции, наземного комплекса управления).

первый год: 5 запусков/год × 5 космических аппаратов = 25 космических аппаратов,

второй год: 3 запусков/год × 5 космических аппаратов = 15 космических аппаратов.

Итого, 40 космических аппаратов в течение 2-х лет.

 - стоимость проведения 8 пусков.

- усреднённое значение стоимости изготовления космических аппаратов.

- стоимость изготовления 40 космических аппаратов,

- стоимость дооснащения ТП и НКУ.  

Принимаем .

- стоимость ОКР: 5 типов космических аппаратов  по ≈1000,0 млн. руб.

 - стоимость дооснащения СП при 8 запусках ракетоносителей.

Таким образом:

и эффективность выполнения операции традиционным способом при проведении 8 запусков в течение 2-х лет (В₂ = 2) составит:

Заключение

 Анализ экономической эффективности двух рассматриваемых способов доставки космических аппаратов малой размерности на низкие орбиты позволяет сделать следующие выводы.

1. Экономическая эффективность выведения полезной нагрузки с помощью баллистической активно-реактивной системы в данной постановке целевой задачи является более предпочтительной.

Удельная стоимость выведения космических аппаратов размерности 200 кг на низкие орбиты традиционным способом примерно в 1,5 раза выше, чем при доставке аналогичных грузов с помощью баллистической активно-реактивной системы.

2. Предлагаемый к рассмотрению способ доставки с помощью баллистической активно-реактивной системы представляет интерес с точки зрения динамики характера запусков, что является важным преимуществом при оперативном решении большого числа социально-экономических и прикладных задач.

3. Проведённые оценки являются предварительными и по мере представления более полных исходных данных по облику и технологии создания баллистической активно-реактивной системы подлежат уточнению, но на данном этапе могут служить основой для дальнейшего анализа и возможного проектирования.

Список используемой литературы

1. Соломонов  Ю.С.,  Шахтарин Ф.К. Большие системы: гарантийный надзор и эффективность.  М.: Машиностроение, 2003. 368 с.

2. Шапиро В.Д.  Управление проектами. СПб.: ДваТри, 1996. 610 с.

3. Ильичёв А.В., Грущанский В.А. Эффективность адаптивных систем. М.: Машиностроение, 1987. 232 с.

4. Островский Г.М. Технические системы в условиях неопределённости: анализ гибкости и оптимизация. М.: БИНОМ, 2010. 319 с.

5. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов, утверждённые Минэкономики РФ, Минфином РФ и Госстроем РФ от 21.06.1999 г. № ВК 477.