Межорбитальный буксир

Межорбитальный буксир — вслушайтесь в это словосочетание. От него веет какой-то повседневностью будущего. Вроде бы буксир — это что-то утилитарное, простое, только меж орбитами. Космический пароходик, который перетаскивает космические лайнеры…



Не знаю какие соображения были у разработчиков, когда они переименовывали разгонный блок «Фрегат» в межорбитальный буксир, но формулировка выбрана исключительно удачно. Ведь что такое «разгонный блок»? Так, просто еще одна часть ракеты, upper stage по западной терминологии — «верхняя ступень». Тогда как «межорбитальный буксир» — это самостоятельный космический аппарат, который выполняет сложные задачи с высокой точностью и в короткий срок. Как вы поняли, сегодня поговорим о межорбитальном буксире «Фрегат» производства НПО им. С.А. Лавочкина.

Свое имя «Фрегат» получил неспроста, в первой букве названия сохранена память о предшественнике, из которого буксир развивался. «Дедушка Фрегата» это межпланетная станция «Фобос», которая стала последней попыткой Советского Союза покорить Марс, и последней межпланетной экспедицией нашей страны, в которой удалось добиться хотя бы частичного успеха.



Как многое в космонавтике, «Фрегат» — это талантливый компромисс между потребностями, возможностями, сроками и стоимостью изделия. За 14 лет он показал дальновидность конструкторов и широкие возможности модернизации, существенно расширившие спектр применений.

Использование сферических топливных баков повелось на НПО Лавочкина еще с лунных миссий. Если заглянуть под «Луноход» можно увидеть сферы. «Фобосы» полетели в компоновке, в которой уже просматривается буксир будущего.

Похожий топливный отсек был и на трагически погибшем «Марс-96».

«Фрегат» же создавался в ответ на растущие потребности рынка, для выведения сразу нескольких спутников на разные орбиты. Это оказалось необходимо и для ГЛОНАССов, и для многочисленных коммерческих заказов Роскосмоса, а в последствии и Arianspace.

При создании межорбитального буксира пошли по пути максимального использования возможностей промышленности и евклидовой геометрии. Топливные баки заключили в сферы, как в форму наиболее эффективную по соотношению полезного объема и массы. Конкурирующая торовая схема проиграла в этом сравнении.

Во «Фрегате» много интересных инженерных решений, которые радуют своей практичностью и элегантной простотой. Как видим, в основе буксира лежат шесть сферических баллонов, два из которых — под горючее, два под окислитель и два — содержат системы управления.

Окислителя требуется больше чем горючего, поэтому баки с азотным тетраксидом углублены в емкости с несимметричным диметилгидразином.

Систему управления позаимствовали с ракеты “Зенит”, производства ФГУП «Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. академика Н.А. Пилюгина». Система реализована на устаревшем, герметичном принципе, т.е. электроника спрятана внутри алюминиевого «аквариума». Но, такое решение сознательное: негерметичная схема выходила тяжелее. Практическая разница между ними только одна: герметичный блок может выйти из строя вследствие разгерметизации, например из-за попадания микрометеорита или фрагмента космического мусора. Такая опасность существует для долгоживущих станций, а для «Фрегата», который живет считанные часы или сутки, такая опасность минимальна.

Маршевый двигатель выбрали марки С5.92 производства «КБ Химического машиностроения им. А.М. Исаева», тягой до 2 тонн. Хотя выбор токсичных компонентов топлива не популярен среди поборников экологии, но с практической точки зрения это оптимальный выбор, обеспечивающий наибольшую эффективности для химических двигателей. После заправки, буксир может ждать запуска до двух месяцев, что исключалось бы, будь он на «экологически чистом» керосине и кислороде.

Кроме одного маршевого, на «Фрегате» установлено еще 12 двигателей ориентации и управления по крену. Они однокомпонентные гидразиновые, т.е. для них не требуется окислителя, а реакция газовыделения происходит при контакте горючего и химического катализатора.

Сферические баки эффективны в соотношении масса/объем, но перед конструкторами еще стояла задача передачи нагрузки от ракеты на спутники. Без дополнительной несущей конструкции, межорбитальный буксир во время старта оказался бы раздавлен между ракетой и выводимым грузом. Самый простой выход — заключить топливные баки в силовой каркас, но это существенно повышает массу и габариты. Решение нашли технологически более сложное, зато более эффективное — «прошили» баки несущими штангами.

Создавался «Фрегат» в 90-е с расчетом на будущую ракету «Союз-2» с цифровой системой управления. Но когда стало ясно, что работы по буксиру опережают создание ракеты, конструкторы позаботились о возможности стартов и с аналогового «Союза».

Для этого НПО Лавочкина пришлось разработать обтекатель собственной конструкции. В результате, именно в такой компоновке были осуществлены запуски межпланетных аппаратов Европейского космического агентства Mars Express и Venus Express в 2003 и 2006-м годах. Так «Фрегаты» стали самыми дальними посланцами современной России в космосе.



С началом эксплуатации «Союза-2» стала очевидна необходимость расширения возможностей «Фрегата» за счет увеличения объемов баков. Это было достигнуто путем установки дополнительных емкостей разного объема. Так запасы топлива получилось увеличить от 5250 кг до 7100 кг, и менять их в зависимости от задачи.

Любопытна история появления модификации «Фрегат-МТ». В 2003 году Россия подписала соглашение с Европейским космическим агентством о совместном использовании космодрома Куру во Французской Гвиане. ЕSA как раз не хватало средней ракеты, и новая модификация «Союза» оказалась очень кстати. Но у европейцев было одно условие — отработавшие ступени ракеты не должны долетать до Европы и тонуть в Атлантике. Специалистам НПО Лавочкина пришлось разработать отдельную компоновку с баками на 6600 кг топлива, чтобы буксир мог принимать эстафету раньше. С тех пор «Фрегат-МТ» слетал уже девять раз с другого континента.

Но вершиной карьеры межорбитального буксира стали пуски на геостационарную орбиту, на ракете «Зенит». К такому «Фрегат» не готовили, эта орбита слишком высоко: изначально предполагалась его эксплуатация только на «Союзе», а на ГСО у нас раньше летали только «Протоны». Для осуществления невыполнимой миссии «Фрегату» добавили трехтонный сбрасываемый бак, и массу заправленного топлива довели до 10,25 тонн.

«Фрегат-СБ» (сбрасываемый бак) слетал два раза в интересах отечественной космонавтики: вывел спутник «Электро-Л» на геостационарную орбиту, и астрофизическую радиообсерваторию «Спектр-Р» на высокоэллиптическую орбиту с высотой до 340 тыс. км — почти до Луны. «Электро-Л» многим известен своими фотоснимками Земли, но сейчас съемка прекращена из-за сбоя в системе ориентации, и спутник продолжает работать ретранслятором в интересах Росгидромета. «Спектр-Р» четвертый год продолжает работу в рамках проекта «Радиоастрон» — фактически является самым мощным радиотелескопом в мире. Оба спутника тоже разработаны в НПО Лавочкина. Сейчас к запуску готовится «Электро-Л 2».



С момента своего первого старта в 2000 году «Фрегат» осуществил 45 успешных запусков. Несколько раз на нем бывали сбои, но он все равно вытягивал полезную нагрузку на остатках топлива. В 2009 году был случай, когда третья ступень ракеты недоработала по программе, и «Фрегату» пришлось отдуваться за себя и за того парня. Спутник «Меридиан-2» до нужной орбиты так и не долетел, но сохранил возможности частичной эксплуатации.

Недавно, 8 июля «Фрегат» вывел 7 спутников за раз: один основной «Метеор-М2» и шесть малых аппаратов, включая российский частный DX1. В ходе этого полета «Фрегат» даже попал на видео с одного из спутников TechDemoSat-1.


С 26 секунды.

А 3 апреля 2014 года, по настоянию французской стороны, ракету «Союз» со спутником Sentinel-1A оборудовали видеокамерами, для съемки всего процесса запуска: от старта до отделения космического аппарата. Там «Фрегат» толком не видно, но все равно видео стоит просмотра.



И только в прошлую пятницу, на сорок шестой полет, произошла ошибка на этапе работы «Фрегата» — пара европейских навигационных спутников Galilleo не добралась до целевой орбиты. Сейчас идет расследование, и рано говорить о причинах сбоя и о степени ущерба, пока нельзя даже наверняка утверждать, что вина лежит именно на «Фрегате». Однако, фактом остается промах, который произошел на этапе работы межорбитального буксира, и возможно, он приведет к потере спутников.

Несмотря на неудачу 22 августа, «Фрегат» остается одним из самых надежных в России и мире. Его конкурентоспособность подтверждена многолетней эксплуатацией иностранным космическим гигантом Arianspace. Потенциал «Фрегата» позволяет рассматривать его как основу для беспилотных межпланетных станций, и как вспомогательный инструмент для пилотируемого полета на Луну.

При подготовке использованы материалы:
«Вестник НПОЛ» (там еще много всего по баллистике, системам, теплу, управлению, связи)
russianspaceweb.com

Источник: habrahabr.ru/post/234431/