Проектирование ракеты, общая масса которой измеряется единицами килограммов, — это задача на грани возможного. В индустрии такие носители называют «нано-лаунчерами». Главная проблема здесь заключается в «тирании ракетного уравнения»: чем меньше ракета, тем сложнее сделать так, чтобы вес её конструкции и двигателей не «съел» весь запас топлива, необходимый для достижения первой космической скорости.
Ниже представлен разбор ключевых подходов к выбору схемы и двигателей для таких сверхмалых систем.
Выбор конструктивной схемы: Сколько ступеней нужно?
Для ракеты массой до десяти килограмм классическая одноступенчатая схема невозможна — современные материалы и топливо не обладают достаточной энергоэффективностью.
Двухступенчатая схема с воздушным стартом: Это наиболее перспективный вариант. Как мы обсуждали ранее, использование платформы-носителя (самолета или реактивной платформы) позволяет исключить из конструкции ракеты массивную первую ступень, предназначенную для пробивания густых слоев атмосферы.
Трехступенчатая схема: Если старт происходит непосредственно с земли, потребуется минимум три ступени. Первая — мощный ускоритель для отрыва, вторая — для набора основной скорости в разреженных слоях, и третья — для точного вывода на орбиту. Однако каждое разделение ступеней — это лишние механизмы, замки и электроника, которые добавляют критический вес.
Двигательные установки: Баланс простоты и мощи
Выбор двигателя для нано-ракеты — это всегда компромисс между эффективностью и сложностью систем подачи топлива.
Твердотопливные двигатели (РДТТ)
Для первой ступени сверхмалой ракеты это идеальный выбор.
Плюсы: Максимальная простота. Не нужны насосы, клапаны и сложные баки. Корпус двигателя сам является топливным баком.
Минусы: Низкий удельный импульс и невозможность повторного включения. После зажигания двигатель будет работать до полного выгорания, что затрудняет точное маневрирование.
Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД)
Создать традиционный ЖРД для десяти-килограммовой ракеты крайне сложно из-за веса турбонасосов.
Вытеснительная система: Единственный реальный вариант для такого масштаба. Топливо вытесняется в камеру сгорания сжатым газом (например, гелием). Это избавляет от тяжелых насосов, но требует очень прочных (а значит, тяжелых) баков.
Компоненты топлива: Часто выбирают самовоспламеняющиеся пары (гиперголики), чтобы исключить систему зажигания и сделать запуск двигателя мгновенным и надежным.
Гибридные двигатели
Это попытка объединить надежность твердых двигателей и управляемость жидкостных. В них используется твердое топливо и жидкий окислитель. Это позволяет регулировать тягу и даже отключать двигатель, что критически важно для коррекции орбиты на финальном этапе.
Проектирование корпуса: Борьба за каждый грамм
В сверхмалых ракетах «сухой вес» конструкции должен составлять не более 10–15% от общей массы. Чтобы добиться этого, инженеры применяют следующие решения:
Интегрированные баки: Стенки топливных баков одновременно являются внешним корпусом ракеты.
Композитные материалы: Использование углеволокна, намотанного по специальным траекториям, позволяет создавать баки, выдерживающие колоссальное давление при минимальном весе.
Аддитивные технологии (3D-печать): Современная печать металлом позволяет создавать камеры сгорания с уже встроенными внутри каналами охлаждения. Это невозможно сделать традиционными методами литья или фрезеровки при таких малых размерах.
Критический вызов: Эффект масштаба
При уменьшении размеров ракеты физические процессы начинают работать иначе. Например, тепловой поток в крошечной камере сгорания гораздо выше относительно её объема, чем в большом двигателе. Это ведет к быстрому прогару стенок.
Также малые размеры означают низкие числа Рейнольдса в аэродинамике, что делает управление с помощью рулей менее эффективным. Поэтому для микро-ракет приоритетным становится управление вектором тяги (поворотное сопло или впрыск газа в струю), а не использование внешних крыльев.
Резюме
Проектирование космической ракеты весом до десяти килограмм требует отказа от многих привычных авиакосмических стандартов в пользу экстремального упрощения. Оптимальный облик — это двухступенчатая композитная ракета с твердотопливной первой ступенью и жидкостной (вытеснительной) второй ступенью, стартующая с высотной платформы.