12.11.2022

Шаги к лунной ракете

9 ноября на открывшемся в Чжухае 14-м аэрокосмическом салоне были продемонстрированы макеты перспективных китайских сверхтяжелых носителей.

В сообщении агентства Синьхуа говорилось, что ракета нового поколения, предназначенная для осуществления пилотируемой лунной экспедиции, имеет стартовую массу 2100 тонн при высоте около 90 метров и способна доставить на околоземную орбиту полезный груз в 70 тонн или отправить на траекторию полета к Луне 27 тонн. Глава космического департамента Китайской исследовательской академии ракет-носителей CALT Чжао Синьго (赵新国) назвал 2027 год датой первого полета этой ракеты.

Китайские носители в Чжухае: CZ-5G, CZ-9 и CZ-5B

На салоне демонстрируется также макет новой ракеты сверхтяжелого класса. По словам Чжао, она будет способна вывести 150 тонн на низкую орбиту, отправить 50 тонн к Луне или 35 тонн к Марсу; носитель находится в стадии разработки и должен быть запущен около 2030 года.

Что из процитированного новость, что уже известно и как соотносятся два проекта?

 

CZ-5G на пути к старту

Описанная первой ракета «полусверхтяжелого» класса впервые была продемонстрирована в том же Чжухае в 2018 году. Она утверждена к реализации, заказчиком является Канцелярия программы пилотируемой космонавтики Китая, что отмечено ее эмблемой на обтекателе. Сроки первого старта официально названы впервые; в декабре 2021 г. ветеран и представитель CALT для печати академик Лун Лэхао говорил о первом старте примерно в 2026 г.

Как известно ( https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/76035.html ), китайцы планируют начать пилотируемые исследования Луны с экспедиции по двухпусковой схеме, для чего как раз хватает двух 70-тонников; пилотируемый корабль и лунный модуль с посадочной ступенью запускаются раздельно и стыкуются на окололунной орбите. Сценарий довольно сложный, но относительно недорогой и осуществимый в более короткие сроки, почему его и предпочли однопусковой схеме с «настоящим» сверхтяжем.

Концепция CZ-5G по состоянию на июнь 2021 г.

Как заявил в октябре 2019 г. заместитель главного конструктора пилотируемой программы Китая Чэнь Шаньгуан (陈善广), пилотируемые исследования Луны позволят улучшить понимание ее формирования и эволюции. С этой целью космонавты должны будут развернуть на Луне лаборатории и инструменты для получения научных данных и анализа образцов. Им предстоит выполнить разностороннюю программу исследований в таких областях, как физика, химия, астрономия и геология, а также освоить использование местных ресурсов с учетом характеристик Луны, как низкий уровень силы тяжести, слабое магнитное поле и высокий вакуум. Решение научных и технических проблем, включая выживание и жизнеобеспечение человека на Луне, станет фундаментом для дальних космических путешествий, и в частности – на Марс.

Официально «полусверхтяж» именуется пилотируемой ракетой-носителем нового поколения (新一代载人运载火箭, xinyidai zairen yunzai huojian, синьидай цзайжэнь юньцзай хоцзянь). Так как вся пилотируемая программа Китая с момента ее утверждения 21 сентября 1992 года проходит под шифром 921, это же условное обозначение неофициально применялось и к ракете 70-тонного класса. В июне 2021 г. академик Лун Лэхао описывал ее под обозначением CZ-5DY, где буквы DY были сокращенным обозначением посадки на Луну (полностью 登陆月球, denglu yueqiu, дэнлу юэцю). К сожалению, это обозначение порождало ненужную путаницу, так как в 2008 году уже использовалось для другого носителя сходного назначения – тяжелой версии CZ-5 с шестью боковыми ускорителями с грузоподъемностью 50 тонн; тогда прикидывали лунную экспедицию по трехпусковой схеме. В сентябре 2022 года 70-тонник получил обозначение CZ-5G, где G, очевидно, означает 改进 (gaijin, гайцзинь, «улучшенный»), которое мы и будем использовать.

Следует подчеркнуть, что с настоящими CZ-5 новая ракета состоит в весьма отдаленном родстве. Базовый тяжелый носитель CZ-5B имеет пятиметровый центральный блок с двумя кислородно-водородными двигателями YF-77 и четыре ускорителя диаметром по 3.35 м, каждый с двумя кислородно-керосиновыми двигателями YF-100 тягой на уровне моря по 120 тс. Такая конфигурация выводит на низкую околоземную орбиту до 25 тонн. Для запусков на геопереходную орбиту дополнительно устанавливается вторая ступень с двумя кислородно-водородными двигателями YF-75D, и получается CZ-5. (Официальная номенклатура китайских РН также далека от логики.)

Проект новой ракеты был начат в 2017 г. и успешно защищен в октябре 2019 г. Главная идея CZ-5G состояла в том, чтобы построить носитель следующего класса грузоподъемности, используя с небольшими доработками имеющиеся двигатели CZ-5. Была выбрана конфигурация, близкая к американской Falcon Heavy: трехблочная первая ступень на кислородно-керосиновых двигателях, вторая ступень на тех же компонентах, а сверх того третья на кислороде и водороде. На каждый пятиметровый блок первой ступени устанавливается семь ЖРД YF-100K/L, а на вторую – два YF-100M в высотном исполнении; третья ступень оснащена тремя YF-75E.

Таким образом, для создания CZ-5G требуется модернизация двигателей YF-100 и YF-75D под новые условия использования и строительство технического и стартового комплекса. На спутниковых снимках космодрома Вэньчан 2022 года уже видны стройплощадка под расширение к востоку технической позиции и вырубка под новый рельсовый путь для вывоза носителя в вертикальном положении.

Пока неясно, будет ли на Вэньчане строиться под CZ-5G третья пусковая установка, или же можно будет использовать одну из существующих. Понятно, что носитель имеет основные интерфейсы с мобильной стартовой платформой, но стартовое устройство должно по крайней мере обладать необходимой стойкостью к газодинамическим, тепловым и акустическим нагрузкам нового носителя, а при стартовой тяге 2700 тс они, конечно, будут кратно выше, чем при 1100 тс.

Пилотируемая ракета CZ-5G на старте в представлении художника

Модернизированный кислородно-керосиновый двигатель замкнутой схемы YF-100K/L имеет тягу 1250 кН на уровне моря против 1188 кН у предшественника при удельном импульсе 301.8 сек. (Китайские авторы неформально именуют их 120-тонником и 130-тонником, хотя точные величины тяги не столь круглы.) Как и у YF-100, тяга регулируется в пределах 65–105% от номинала. Камера и сопло двигателя YF-100K могут отклоняться на ±8° в двух направлениях. В этом основное отличие от YF-100, у которого качался весь двигатель в пределах ±6°. Как следствие, новая версия компактнее и легче прежней. Вариант YF-100L выполнен без качания камеры; на каждый блок носителя ставится четыре YF-100L и три YF-100K.

Внешний вид ЖРД YF-100K

Создание YF-100K/L началось в октябре 2015 г. В мае 2017 г. состоялось первое огневое испытание двигателя полного состава, а к июню 2022 г. на 13 опытных ЖРД было выполнено более 30 прожигов суммарной продолжительностью свыше 10000 сек с уровнем тяги от 50% до 105% номинала.

Огневые испытания YF-120M 28 сентября 2022 г.

28 сентября 2022 г. на стенде №502 Сианьского института аэрокосмических двигателей («165-й институт») 6-й академии в Фэнчжоу, в северо-западной части Шэньси, начались огневые испытания двигателя YF-100M второй ступени с проектной тягой в вакууме 146 тс. В третьем тесте 23 октября длительность работы достигла 300 сек, а всего за три прожига составила 650 сек.

Создание двигателя третьей ступени YF-75E на базе имеющегося YF-75D также продвигается успешно. Двигатель имеет тягу 9 тс при удельном импульсе 452 сек и может качаться в двух направлениях. Титановый насадок сопла дает степень расширения 1:175. Основные отличия от прототипа включают факельную систему зажигания низкого давления и усовершенствованную систему диагностики отказов в реальном времени.

Огневые испытания YF-75E 16 июня 2022 г.

14 июня 2022 г. на стенде №6 101-го института 6-й академии CASC был проведен тест такого двигателя на длительное время работы с многократными включениями, а 30 сентября – серия из трех прожигов. По итогам успешных испытаний сделан вывод о возможности перехода к следующему этапу разработки.

Проект CZ-5G в целом после серии статических и динамических испытаний макетов находится на стадии так называемого «начального прототипа» (初样研制, chuyang yanzhi, чуян яньчжи), за которым последуют изготовление и летные испытания первых летных изделий. Так как производственные вопросы были в основном решены при освоении выпуска пятиметровых блоков ракеты CZ-5, с изготовлением собственно носителя особых проблем и задержек не предвидится.

25 февраля 2022 г. глава CALT Ван Сяоцзюнь (王小军) впервые представил планы спасения первой ступени CZ-5G. Вход в атмосферу производится «по-масковски», то есть с торможением и вертикальным спуском на ЖРД и с использованием аэродинамических органов управления полетом. Окончательная остановка и фиксация садящейся ступени предполагается с использованием сетки.

Концепция одноблочного носителя CZ-5ZRL

23 апреля 2022 г. был представлен одноблочный вариант ракеты под обозначением CZ-5ZRL, предназначенный для вывода пилотируемого корабля нового поколения на низкую околоземную орбиту. Собственно, его уже показывали публике в июне 2021 г., но на этот раз носитель имеет спасаемую первую ступень с семью YF-100K. На второй ступени ракеты устанавливается один YF-100M, третьей ступени не требуется. «Китайский Falcon 9» имеет грузоподъемность 18 т на низкую орбиту в одноразовом варианте, а со спасением первой ступени – 14 т.

Первый пуск этой ракеты может состояться уже в 2025 г. Предполагается, что до 2030 г. она заменит CZ-2F в качестве носителя пилотируемых аппаратов, а к 2032 г. будет освоен запуск грузовых кораблей типа «Тяньчжоу» на CZ-5ZRL со спасением ступени.

В качестве подытога отметим, что в Белой книге «Китайский космос-2021», опубликованной Информационным управлением Госсовета КНР 28 января 2022 г., содержится обещание выполнить в течение ближайших пяти лет разработку и запуск пилотируемого носителя нового поколения, а также ускорить разработку проекта сверхтяжелой ракеты.

 

CZ-9: фантазии и реальность

Ракета CZ-5G обеспечивает кратковременную высадку китайских космонавтов на Луну, однако считается недостаточной для дальнейших работ, включая пилотируемую экспедицию на Марс. Мы знаем, что Чэнь Шаньгуан в октябре 2019 г. назвал осуществление такого полета долгосрочной целью китайской пилотируемой программы. Выступая 16 июня 2021 г. дистанционно на конференции GLEX-2021 в Санкт-Петербурге, Ван Сяоцзюнь обрисовал возможный облик транспортной системы для марсианской экспедиции и отнес первый пилотируемый полет к Марсу на 2033 год, но, разумеется, эту дату нельзя воспринимать как официальную.

Средством для реализации марсианских планов должен стать сверхтяжелый носитель CZ-9. Следует заметить, что официальное китайское наименование такой ракеты – 重型运载火箭 (zhongxing yunzai huojian, чжунсин юньцзай хоцзянь) – не соответствует общепринятой терминологии, так как буквально переводится «тяжелая ракета-носитель». Попробуй тут не запутаться…

Как мы уже сообщали ( https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/80519.html ), 22 февраля 2021 г. макет CZ-9 был продемонстрирован Председателю КНР и Генеральному секретарю КПК Си Цзиньпину, а 24 февраля заместитель директора Китайской национальной космической администрации У Яньхуа сказал: «Теперь страна определилась, мы будем разрабатывать сверхтяжелый носитель CZ-9, его основное назначение – для следующего шага. Если будет пилотируемая высадка на Луну или на Марс, потребуется сверхтяжелый носитель».

Первые проработки облика «супертяжа» относятся к 2008 году, и его облик многократно пересматривался. Сегодня CZ-9 существует не просто как одобренная руководством страны концепция носителя грузоподъемностью 140–150 тонн на низкую орбиту и 50 тонн на траекторию полета к Луне – двигатели для него разрабатывают уже довольно длительное время. Тем не менее конкретный облик и компоновка «сверхтяжа» продолжают изменяться, причем новые варианты выдаются на публику намного чаще, чем проводятся аэрокосмические салоны в Чжухае. Наблюдатели воспринимают каждую новую «картинку» как откровение, не замечая, что они не коррелируют с реальной работой по двигателям.

Испытания днища бакового отсека диаметром 9.5 м в июле 2021 г.

Последний «стабильный» вариант 2016 года со стартовой массой 4137 т представлял собой трехступенчатую ракету с четырьмя дополнительными боковыми блоками в качестве стартовых ускорителей. На центральный блок диаметром 9.5 м устанавливалось 4 двухкамерных кислородно-керосиновых двигателей YF-130 тягой по 4800 кН (490 тс), а на каждый из ускорителей – по два. Вторая ступень оснащалась двумя кислородно-водородными двигателями YF-90 тягой по 2200 кН (224 тс), а третья диаметром 7.5 м – четырьмя 25-тонными YF-79.

Переход от проекта 2016 г. к моноблочному носителю

24 июня 2021 г. академик Лун Лэхао представил совершенно новый проектный облик CZ-9. Боковые ускорители убрали, центральный блок увеличили в диаметре до 10.6 м и оснастили 16 однокамерными двигателями YF-135 тягой по 3600 кН (367 тс) каждый. На вторую ступень такого же диаметра закомпоновали четыре кислородно-водородных 120-тонника, а на третью – еще один, и ракета стала сильно напоминать американский Saturn V, только массой 4122 т.

Концепция CZ-9 в апреле 2022 г.

На этом творческий запал проектантов Первой академии не угас. 23 апреля 2022 г. появилась очередная версия с говорящим наименованием CZ-9 (7), принципиальным достоинством которой стала спасаемая первая ступень. Следуя по стопам создателей американского комплекса Superheavy/Starship, китайцы оснастили ее 200-тонными кислородно-метановыми двигателями, а поскольку диаметр ступени остался 10.6-метровым, их удалось впихнуть лишь 26 штук, так что стартовая тяга снизилась с 5873 до 5200 тс.

Концепция CZ-9 в июле 2022 г.

Верхние ступени остались в прежнем варианте, но ненадолго: всего через три месяца, 12 июля, Лун Лэхао перерисовал всю ракету в едином диаметре 10.6 м. А чтобы окончательно запутать экспертов всех стран и народов, 17 сентября выкатили версию CZ-9 (8), в котором еще раз перекомпоновали первую ступень, оснастив ее 24 однокамерными кислородно-керосиновыми двигателями тягой по 2400 кН (245 тс). Масса изделия, что поразительно, при всех описанных пертурбациях не изменилась ни на тонну.

Концепция CZ-9 в сентябре 2022 г.

Для выставленного в Чжухае макета заявлены стартовая масса 4180 т при высоте 108 м и диаметре 10.0 м. На спасаемой первой ступени показаны решетчатые аэродинамические стабилизаторы, что подразумевает существенное снижение массы полезного груза. Тем не менее грузоподъемность приведена стандартная: 150 т на низкую орбиту и 50 т на траекторию полета к Луне.

В глазах не зарябило? Ничего, это не страшно. Почти ничего из перечисленного в четырех предыдущих абзацах не существует в природе: ни 245-тонного кислородно-керосинового двигателя (нет, делением пополам исходного 490-тонного его не получить!), ни 200-тонного кислородно-метанового, ни 120-тонного кислородно-водородного. Фактически с 2016 г. в разработке на разных стадиях находятся лишь три двигателя CZ-9 «образца 2016 года» (того самого, что был показан Си Цзиньпину) и новый YF-135, так что реализовать в металле фантазии 2021–2022 гг. пока не представляется возможным.

Как же идет создание реальных ЖРД для «супертяжа»?

Внешний вид ЖРД YF-130

Кислородно-керосиновый двигатель первой ступени YF-130 спроектирован в Сианьском институте аэрокосмических двигателей и является двухкамерным ЖРД замкнутого цикла (с дожиганием) тягой около 4800 кН (490 тс) с давлением в камерах сгорания 22 МПа. Это огромная машина высотой 4.3 м, длиной 3.3 м и шириной 3.0 м напоминает форсированный РД-180.

Огневые испытания YF-130 5 ноября 2022 г.

24 марта 2019 г. на полигоне Баолунъюй в провинции Шэньси, к югу от Сианя, состоялись совместные испытания турбонасоса и газогенератора двигателя YF-130, а 5 марта 2021 г. Шестая академия с успехом провела испытания двигателя в реальных рабочих условиях, но еще с неполным составом систем. Наконец, 5 ноября 2022 г. в 11:39 пекинского времени на стенде в Баолунъюе был впервые запущен полный двигатель YF-130 и успешно отработал заданное время.

Внешний вид ЖРД YF-90

220-тонный кислородно-водородный двигатель 2-й ступени YF-90 спроектирован в Пекинском институте аэрокосмических двигателей («11-й институт») 6-й академии и принадлежит к одному классу с американским SSME и советским РД-0120. Это ЖРД замкнутой схемы с одним газогенератором и раздельными ТНА горючего и окислителя, с давлением в камере 18.3 МПа и удельным импульсом 453.3 сек, с возможностью многократного включения и с пределами дросселирования тяги 60–100%.

Огневые испытания YF-90 неполного состава 23 сентября 2021 г.

В течение 2021 г. в 101-м институте в окрестностях Пекина прошли испытания ряда компонентов, а 23 сентября состоялся успешный тест опытного двигателя с неполным составом систем.

Первый полный ЖРД YF-90 изготовлен

28 июля 2021 г. вышло сообщение о том, что 211-й завод 1-й академии выпустил первый экземпляр двигателя YF-90 для огневых испытаний, однако информации об их начале не поступало.

Внешний вид и схема ЖРД YF-79

Двигатель 3-й ступени YF-79 на кислороде и водороде также создан в 11-м институте и построен по безгенераторной схеме с фазовым переходом по типу американских RL10. ЖРД многократного включения имеет тягу в вакууме 250 кН при удельном импульсе 455.2 сек и давлении в камере сгорания 7 МПа с пределами дросселирования 60–100%.

Огневые испытания YF-79 5 сентября 2022 г.

Сообщалось, что 10 и 17 декабря 2021 г. в 101-м институте на стенде №2, построенном еще в 1959 г. по советскому проекту, состоялись огневые испытания камеры сгорания 25-тонного двигателя YF-79 на уровне тяги 60% и 100%. Там же 5 сентября 2022 г. начались испытания полного двигателя с коротким соплом – он сумел опередить двигатель первой ступени на два месяца.

Таким образом, в создании двигателей для сверхтяжелого носителя CZ-9 достигнут существенный прогресс, однако окончательный его облик остается неопределенным. Фактически это признал и начальник Департамента общего проектирования CALT Лю Бин (刘秉) в выступлении по китайскому телевидению 7 ноября 2022 г.

Автор: Liss

Поделиться в соц. сетях
432