Сверхлегкие ракеты-носители

К категории сверхлегких ракет-носителей (СЛРН) принято относить ракеты, выводящие на низкую околоземную орбиту (НОО) полезную нагрузку массой менее 2 тонн. В статье ограничимся теми ракетами-носителями (РН), которые доставляют на эту орбиту полезную нагрузку массой до 500 кг.

В чем причина появления интереса к таким ракетам? В последние годы, в связи с развитием микроэлектроники и микроэлектромеханических устройств, стало возможным делать космические аппараты гораздо более легкими, при этом функции они выполняют те же, что их более тяжелые предшественники. Применяющиеся же ракеты выводят гораздо большие полезные нагрузки. В результате владелец небольшого спутника должен ждать, пока предоставляющая услугу запуска организация укомплектует свою ракету-носитель небольшими космическими аппаратами, соответствующими ее грузоподъемности. Такое ожидание может растянуться на годы. Во многих случаях это положение не устраивает хозяина спутника, потому что спутник оператору нужен «уже сейчас». Отсюда потребность в сверхлегких носителях.

Специальный и относительно недорогой запуск для выведения малых космических аппаратов увеличивает доступность их использования.

У СЛРН есть несколько очевидных эксплуатационных преимуществ, связанных с ее относительно небольшими размерами и массой. Для такой ракеты требуются небольшое стартовое сооружение, компактные здания сборки и испытаний, заправочная и другая инфраструктура. Несложна и ее транспортировка. За счет меньшей массы и размеров конструкции она менее материалоемкая, время и затраты на производство тоже меньше.

В то же время такие ракеты имеют невысокий коэффициент конструктивного совершенства. Это означает, что доля полезной нагрузки в общей стартовой массе ракеты ниже, чем у более грузоподъемных ракет. Дело в том, что у сверхлегких носителей больше относительный вес конструкции. Особенно этот эффект проявляется в пакетных схемах, когда вокруг центрального блока расположены универсальные боковые блоки. Эти схемы используют для того, чтобы менять количество блоков в зависимости от массы выводимой нагрузки в данном запуске. И именно такие проекты с использованием одинаковых модулей и стремятся реализовать для удешевления производства.

Сохранение приемлемого уровня весового совершенства возможно лишь на ракетах, в которых последующие ступени устанавливаются одна над другой. Тогда масса конструкции баков будет во много раз меньше, чем в пакетной схеме. Однако в этом случае ракета не получится универсальной, потому что она будет оптимизирована для выведения полезной нагрузки в небольшом диапазоне массы. Вот почему при проектировании СЛРН для повышения эффективности требуется детальный весовой и экономический расчет.

Конечно, конструктивное совершенство ракет любой схемы растет при использовании некоторых конструктивных, технологических решений и соответствующих материалов.

Например, сейчас широко используются композитные материалы при изготовлении топливных баков, переходных отсеков, обтекателей. Лучший такой материал — углепластик. Масса конструкции снижается в разы при сохранении прочностных характеристик. Часто хороший эффект дает печать различных сложных деталей из пластика и даже металлов.

На сверхлегких ракетах более доступно применение возвращаемых первых ступеней. При достаточном количестве запусков и удобстве доставки спустившейся ступени к старту этот подход будет экономически целесообразен. Есть и другие способы сделать СЛРН более эффективными.

Тем не менее пока стоимость выведения одного килограмма полезного груза на таких ракетах значительно превышает этот показатель у больших ракет. Так, стоимость запуска на СЛРН составляет десятки тысяч долларов, а на более тяжелых ракетах — $3–6 тыс.

Вот и получается, что если заказчику запуска надо вывести космический аппарат в определенное время, то он вынужден будет заплатить за срочность.

Рассмотрим некоторые реализованные и нереализованные проекты сверхлегких ракет-носителей.

Россия

СЛРН «Старт-1М». У нас есть близкий к реализации проект сверхлегкой ракеты-носителя. Но он имеет особенность. Дело в том, что одним из эффективных направлений для России является создание СЛРН посредством соответствующей доработки снятых с вооружения или с истекшим сроком эксплуатации межконтинентальных баллистических ракет (МБР).

Это выгодно, потому что не надо тратить средства на их изготовление. Кроме того, поскольку их необходимо утилизировать, то и на этот процесс не нужны деньги. Ведь утилизация происходит во время запуска ракеты в космос. Существенно и то, что такие ракеты уже отработаны и имеют подтвержденную надежность работы. Например, есть возможность использовать 60–70 оставшихся МБР «Тополь-М».

Рассмотрим проект создаваемой на базе МБР «Тополь-М» ракеты-носителя «Старт-1М». Предполагается, что эта РН будет способна выводить на низкую околоземную орбиту полезную нагрузку массой до 500 кг, имея стартовую массу 47 тонн. Вместо ядерной боеголовки на МБР устанавливают четвертую ступень, которая и позволит выводить полезную нагрузку на орбиту. Доля полезной нагрузки — 1,06%.

У ракеты «Старт-1М» была предшественница — ракета-носитель «Старт-1», созданная на базе МБР «Тополь». С 1993 по 2006 год этот носитель стартовал семь раз, успешно выводя спутники, в том числе и иностранные. Завершающий запуск по программе «Старт-1» состоялся в апреле 2006 года.

Надо признать, что применение модифицированных МБР сопряжено с существенной проблемой. При запуске твердотопливной ракеты «Тополь-М» создаются перегрузки, достигающие 10g. Это больше, чем на жидкостных ракетах. Кроме того, старт из контейнера осуществляется за счет порохового аккумулятора, который создает сильное давление в этом замкнутом пространстве, что может отрицательно повлиять на сохранность спутника.

Поэтому разработчики ракеты «Старт-1М» должны увеличить пространство под ее обтекателем. Также предстоит оснастить обтекатель демпфирующими материалами, которые обеспечат сохранность спутника. Но и после этих доработок далеко не каждый космический аппарат выдержит такой интенсивный старт. Работы по изменению конструкции МБР ведет Московский институт теплотехники, прежде создавший ракету «Старт-1».

Планируется, что «Старт-1М» будут запускать с мобильной пусковой установки или с космодрома Восточный, расположенного в Амурской области. По словам первого заместителя председателя Правительства России Дениса Мантурова, первый пуск намечен на 2026 год. Стоимость выведения 1 кг пока неизвестна, но, по некоторым расчетам, она может составить около 1 млн руб.

Другие отечественные варианты СЛРН существуют в виде проектов разной степени проработки.

Комплекс МиГ-31И «Ишим». Сначала нелишне вспомнить, что в 1997 году конструкторское бюро МиГ совместно с «КазКосмосом» (Казахстан) начало разработку системы выведения на орбиту полезной нагрузки с помощью переоборудованного истребителя-перехватчика МиГ-31. Эта модификация получила обозначение МиГ-31И «Ишим». Участие Казахстана состояло в том, что предполагалось использовать такие самолеты, оставшиеся в Казахстане после развала СССР. Сам проект разрабатывался в России на базе существовавшего задела по созданию модификации МиГ-31Д — носителе противоспутниковой ракеты в кооперации РСК «МИГ» как разработчика самолета-носителя и Московским институтом теплотехники как разработчика ракеты-носителя.

В результате проектирования получилось, что трехступенчатая ракета, запускаемая на высоте от 15 до 18 км и скорости в точке пуска 2120–2230 км/ч, должна была обеспечить при наклонении орбиты 46 градусов вывод полезной нагрузки массой 160 кг на высоту 300 километров, а на орбиту высотой 600 километров — 120 кг. Взлетная масса МиГ-31И с ракетой-носителем составляет 50 т, дальность полета до точки пуска — 600 км. Доля полезной нагрузки — 1,55%.

Параметры орбиты выведения могут меняться в широких пределах, включая высокие эллиптические, солнечно-синхронные, экваториальные, полярные, с наклонением до 115 градусов и другие. Предлагалось использование комплекса «Ишим» с территории государства-заказчика при базировании самолета на аэродроме первого класса. «КазКосмос» также предполагал использовать комплекс полигона Сары-Шаган для международных проектов.

Разработанная Московским институтом теплотехники твердотопливная трехступенчатая ракета-носитель имеет массу 10,3 т, длину 10,76 м и диаметр корпуса 1,34 м. Размещенный под головным обтекателем в носовой части ракеты отсек полезной нагрузки имеет длину 1,4 м и диаметр 0,94 м.

Комплекс «Ишим» был представлен «КазКосмосом» на аэрокосмическом салоне в Сингапуре в феврале 2006 года. Указывалось, что он предназначен для оперативного выведения на различные орбиты малых спутников. Комплекс состоял из двух самолетов-носителей МиГ-31И, подвешиваемой под фюзеляжем самолета ракеты-носителя, а также воздушного командно-измерительного комплекса на базе самолета Ил-76МД.

К сожалению, Казахстан отказался от проекта «Ишим», поскольку признал доведение его до практической реализации нецелесообразным как по техническим, так и экономическим причинам. В 2007 году работу над проектом прекратили.

Однако МиГ-31 с ракетой участвовал в летной программе на салоне МАКС-2018. Никаких сведений об этом самолете не сообщали, но можно предположить, что это был МиГ-31Д с противоспутниковой ракетой. И на иллюстрациях можно видеть, как похожа эта ракета на ракету-носитель «Ишим». Только, видимо, «Ишим» немного длиннее.

Для осуществления проекта «Ишим» у нас всё есть. Есть МиГ-31, есть детально проработанная ракета-носитель. И нам для такой работы не нужны партнеры. Требуется лишь понять, кому и насколько необходим этот комплекс. Не исключено, что бухгалтерские представления о его ненужности могут уступить место другим оценкам и «Ишим», конечно, под другим названием, пробьет себе дорогу в космос.

СЛРН «Иркут». Надо отметить и находящийся на высокой степени проработки проект по созданию СЛРН «Иркут». Он подготовлен специалистами головного института «Роскосмоса» — ЦНИИ машиностроения. Предполагается, что ракета будет выполнена в двух вариантах: одноразовом и многоразовом. Масса первого варианта составит 23,6 т, второго — 25 т. Одноразовая ракета должна доставлять на низкую околоземную орбиту до 580 кг груза, а на геостационарную орбиту — до 84 кг. Доля полезной нагрузки — 2,45%.

Возможности многоразового варианта оцениваются в 400 кг и 60 кг соответственно. Запланировано, что первая ступень такой ракеты будет возвращаться на землю при помощи крыльев.

«Иркут» — это двухступенчатая ракета. Первая ступень будет работать на кислородно-метановых двигателях. В двигателях второй ступени — токсичные компоненты гептил и амил (несимметричный диметилгидразин и тетроксид азота). Разумеется, это плохо, потому что создает большие проблемы при эксплуатации на стартовой позиции.

СЛРН «Аквилон». Концепция предложена группой специалистов предприятий госкорпорации «Роскосмос». Первый разгонный блок (РБ) представляет собой композитную цилиндрическую оболочку, с внутренней стороны баков снабженную герметизирующим слоем. В отличие от конструкции второго РБ здесь установлены дополнительные баки окислителя и горючего, предназначенные для питания рулевых жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) при возвращении РБ и посадке в районе стартового комплекса для повторного использования.

Разгонный блок оснащен четырехкамерным ЖРД с четырьмя рулевыми камерами, имеющим возможность многократного запуска, а также специализированной системой управления движением, которая позволяет обеспечивать возврат и посадку на специально выделенную взлетно-посадочную полосу. В конструкции разгонного блока предусмотрены возможность крепления консолей крыла (возвращаемая конфигурация РБ) с исполнительными органами управления для осуществления посадки по самолетной схеме и возможность установки убираемых стоек шасси с исполнительными органами управления.

Второй разгонный блок оснащен однокамерным ЖРД в карданном подвесе для управления вектором тяги, а также системой управления движением. Полезная нагрузка защищена от тепловых и механических нагрузок во время запуска двустворчатым головным обтекателем.

Возможен запуск СЛРН с мобильной стартовой платформы в полуавтоматическом режиме.

По расчетам, «Аквилон» должен обеспечить выведение на солнечно-синхронную орбиту полезного груза массой до 300 кг. Стоимость выведения 1 кг полезной нагрузки составит 1,29 млн. руб., то есть $22,87 тыс./кг.

США

Pegasus. Американская СЛРН с возможностью воздушного старта. Разработана корпорацией Orbital Sciences Corporation. Запуск производится с помощью специально оборудованного самолета L-1011 Stargazer фирмы Lockheed Corporation. Отделение ракеты от самолета-носителя происходит на высоте около 12 км.

Ракета твердотопливная, трехступенчатая. В варианте Pegasus HAPS дополнена блоком маневрирования, работающим на гидразине. Масса носителя — 18,5 т (Pegasus), 23,13 т (Pegasus XL). Масса полезного груза, выводимого на низкую околоземную орбиту носителем «Пегас», — до 443 кг. Доля полезной нагрузки — 2,3%.

Стоимость запуска Pegasus XL в 2014 году — $40–50 млн. Таким образом, у этой ракеты цена выведения одного килограмма полезной нагрузки самая большая на сегодня — более $100 тыс./кг.

LauncherOne. Ракета-носитель воздушного старта, созданная компанией Virgin Orbit. Ее двигатели работают на жидком кислороде и керосине. Разрабатывается с 2007 года и предназначена для запуска малых спутников. Способна выводить до 300 кг полезной нагрузки на солнечно-синхронную орбиту после старта с самолета-носителя Boeing 747-400 Cosmic Girl на большой высоте.

Первый запуск состоялся 18 января 2021 года. Тогда LauncherOne вывела на околоземную орбиту высотой 500 км 10 микроспутников CubeSat. Это была первая работающая только на жидком топливе ракета воздушного базирования, вышедшая на орбиту.

Самолет Boeing 747-400 стартовал с воздушного и космического порта Мохаве в Калифорнии. На высоте около 12 км над Тихим океаном он выпустил LauncherOne из-под левого крыла. Через четыре секунды LauncherOne включил двигатель первой ступени NewtonThree на 3 минуты, обеспечив ракету тягой примерно 33 тонны. На высоте между 500 и 1100 км над поверхностью Земли вторая ступень отделилась от первой, после чего на 6 минут был запущен двигатель второй ступени NewtonFour, обеспечивший вывод полезной нагрузки на заданную орбиту.

Китай

«Чанчжэн-11» (CZ-11). Это ракета-носитель семейства «Чанчжэн». Ее первый полет состоялся 25 сентября 2015 года. Ракета создана на базе серии баллистических ракет DF-31. Предназначена для вывода на солнечно-синхронную орбиту спутников массой до 350 кг и на низкую околоземную орбиту — до 500 кг. Чанчжэн-11 представляет собой четырехступенчатую твердотопливную ракету-носитель длиной 21 метр и массой 57,7 тонны, а ее максимальный диаметр достигает двух метров. Доля полезной нагрузки — 0,9%.

Десятая запущенная ракета «Чанчжэн-11» стартовала с борта самоходной баржи Debo 3, которая была доработана для этого полета. Это был первый коммерческий запуск ракеты-носителя с морской платформы.

«Куайчжоу-1A» (KZ-1A) разработана в компании China Aerospace Science and Industry Corporation (CASIC). На ракете применены три твердотопливные ступени и четвертая жидкостная. Два твердотопливных двигателя взяты от баллистической ракеты средней дальности «Дунфэн-21». Запускают ракету с автомобильного шасси, что упрощает транспортировку и стартовое обслуживание. Четвертая ступень позволяет «Куайчжоу-1A» разместить спутники на шести разных орбитах в процессе выведения.

«Zhuque-1» (ZQ-1). Трехступенчатая твердотопливная ракета-носитель общей длиной 19 м и диаметром 1,35 м. Ее взлетная масса равна 27 т, а стартовая тяга — 45 т. Разработана компанией Lanjian Kongjian Keji (также известной как Blue Arrow Space Tech или LandSpace) для выведения полезных нагрузок весом до 300 кг на низкую околоземную орбиту и до 200 кг на солнечно-синхронную орбиту высотой 500 км. Доля полезной нагрузки — 1,1%.

«Цзелун-1» (Smart Dragon 1 (SD-1). Четырехступенчатая твердотопливная СЛРН. Первый запуск трех коммерческих спутников был осуществлен 17 августа 2019 года с мобильной пусковой установки, расположенной на космодроме Цзюцуань в провинции Ганьсу. Ракета предназначена для запуска коммерческих спутников массой до 150 кг на солнечно-синхронную орбиту высотой 700 км. Срок ее изготовления всего 6 месяцев, а к запуску она может быть подготовлена в течение суток.

Полезная нагрузка размещается у нее необычно, между третьей и четвертой ступенью, находящейся в перевернутом состоянии и выполняющей после отделения от третьей ступени разворот на 180 градусов перед запуском маршевого двигателя.

«Hyperbola-1». Четырехступенчатая ракета-носитель длиной 21 м с диаметром обтекателя 1,2 м. Способна выводить на низкую околоземную орбиту до 300 кг полезного груза. 29 июля 2025 года китайская компания iSpace осуществила успешный запуск этой коммерческой ракеты-носителя со спутником Enshi Xidu Shanquan.

Япония

SS-520-4. Ракета-носитель создана на базе высотной исследовательской ракеты, дополнительно оснащенной космической ступенью и новой системой управления. При стартовой массе 2,5 тонны она вывела в первом полете в феврале 2018 года на низкую околоземную орбиту кубсат TRICOM-1R массой 3 кг. Доля полезной нагрузки — 0,12%. Является самой легкой действующей ракетой-носителем.

Kairos. Выводит на низкую околоземную орбиту высотой 500 км с наклонением 33 градуса полезную нагрузку массой до 250 кг, а на солнечно-синхронную орбиту высотой 500 км с наклонением 97 градусов способна вывести до 150 кг.

Kairos — трехступенчатая  твердотопливная ракета, оснащенная  четвертой ступенью с ЖРД для  довыведения полезной нагрузки на целевую орбиту. Диаметр ступеней ракеты — 1,35 метра, головного обтекателя — 1,5 метра. Длина ракеты — 18 метров, стартовая масса около 23 тонн. Доля полезной нагрузки — 1,1%.

Для запусков этих ракет-носителей компания Space One построила космодром Кии на южной оконечности полуострова Кии. По расчетам компании Space One, она сможет осуществлять запуски ракеты Kairos через четыре дня после получения полезной нагрузки для нее.

Первый полет 18 декабря 2024 года был неудачным: во время запуска ракеты Kairos-2 с пятью спутниками возникли неполадки.

Новая Зеландия

Electron. Двухступенчатая ракета, созданная новозеландским подразделением американской частной аэрокосмической компании Rocket Lab. Имеет массу 12,55 т и длину 17 м. Предназначена для запусков спутников массой 250 кг на низкую околоземную орбиту (доля полезной нагрузки — 2%.) или 150 кг — на солнечно-синхронную орбиту высотой 500 км. В качестве компонентов топлива на обеих ступенях используются жидкий кислород и керосин. Основные элементы ракеты, включая несущие баки, выполнены из углепластика для снижения массы конструкции. Все основные детали двигателя Rutherford, спроектированного и изготавливаемого Rocket Lab, создаются с помощью 3D-печати.

Впервые в мире для уменьшения стоимости двигатели ракеты оснащены не турбонасосными, а двумя электронасосными агрегатами — по одному для каждого компонента топлива. Эти агрегаты двигательной установки первой ступени питаются от литий-ионных аккумуляторных батарей, смонтированных в нижней части конструкции ступени и обеспечивающих более 1 тыс. кВт электроэнергии.

Стоимость пуска этой ракеты составляет $4,9–6,6 млн, то есть $20-26 тыс./кг. Применен композитный головной обтекатель длиной 2,5 м, диаметром 1,2 м и массой примерно 50 кг. Rocket Lab предлагает концепцию «ампулизации» спутника на территории заказчика, что позволяет собственникам полезной нагрузки осуществлять сборку аппарата с адаптером и головным обтекателем на своих предприятиях самостоятельно, а затем доставлять модуль в собранном виде к стартовой площадке, где его должны быстро установить на ракету.

20 июня 2025 компания Rocket Lab осуществила успешный пуск своей ракеты-носителя Electron. Он стал 50-м по счету в истории эксплуатации этой ракеты. Примерно через час после старта разгонный блок Photon вывел на солнечно-синхронную орбиту высотой 630 км пять спутников французской компании Kinéis.

Четвертая ступень Photon в межпланетной модификации может вывести полезную нагрузку до 40 кг на отлетную от Земли траекторию.

Сейчас компания работает над созданием многоразового варианта своей ракеты и уже дважды смогла приводнить первую ступень в океане с помощью парашютной системы. В перспективе первую ступень планируется ловить при спуске на парашюте с помощью вертолета.

Австралия

Gilmour Eris. Ракета способна выводить на низкую околоземную орбиту в 200 км до 300 кг полезной нагрузки. Длина — 23 метра, масса 30 тонн. Состоит из трех ступеней (доля полезной нагрузки — 1%). Причем первые две ступени оснащены гибридными двигателями Sirius собственной разработки: четыре таких стоят на первой ступени и один на второй.

В качестве топлива используется смесь твердого горючего и жидкого окислителя. Это снижает удельную тягу, но позволяет регулировать тягу двигателя, что очень сложно реализовать в чисто твердотопливных двигателях. В роли окислителя применяется перекись водорода, а состав горючего не раскрывается. Двигатель третьей ступени Phoenix — жидкостный. Он также полностью разработан компанией Gilmour Space. Первая ракета Gilmour Eris разбилась через 14 секунд после старта 30 июля 2025 года.

***

Как видим, сверхлегкие ракеты-носители удобны для заказчиков запуска, позволяя быстро вывести в космос космический аппарат. В то же время отправка своего спутника на большой ракете обойдется владельцу во много раз дешевле. Тем не менее спрос на срочные запуски есть, поэтому и появляются всё новые сверхлегкие ракеты-носители.