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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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»?
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.
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.
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-0210. 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%.
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.
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.
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%.
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
