«Ракета будет конкурентом SpaceX», – сказал руководитель Центра Хруничева, заметив, что разработка в настоящее время находится «в стадии процедурных вопросов, необходимых для принятия решения». «Есть несколько вариантов. Задача – максимально использовать те составные части, которые имеются. Расширяем диапазон применения полезных нагрузок с учетом тех тенденций, которые есть на рынке. Расширяем возможности «Протона» как в сторону подъема более тяжелых аппаратов, так и в нижнюю», – уточнил Андрей Калиновский.
Поскольку за интересным (хоть и не бесспорным) названием, составленным на английский манер, скрывается «легкая» модификация ракеты «Протон-М», новость несомненно заслуживает внимания. Особенно учитывая, что буквально два-три года назад предполагалось, что носитель-труженик, работающий сейчас на ниве запуска тяжелых спутников связи, примерно в 2020 г. «уйдет на пенсию» и будет заменен тяжелым вариантом ракеты модульного семейства «Ангара».
На самом деле, ничего особенно удивительного в «неожиданном» решении продолжить развитие «Протона» нет. За последние несколько лет ситуация и в отрасли, и на рынке коммерческих запусков кардинально изменилась, причем в наибольшей мере на нее воздействовали факторы, которые ранее даже не рассматривались всерьез. Во-первых, по ряду причин поменялось экономическое положение всех без исключения предприятий ракетно-космической индустрии. Во-вторых, не стал устойчивой тенденцией прогнозируемый прежде «неуклонный рост начальной массы геостационарных спутников связи» (а именно они формируют наиболее «денежный» сектор коммерческого сегмента пускового рынка). Масса спутников растет, но уже сейчас заметно быстрое снижение скорости прироста.
Одной из причин второго фактора эксперты называют появление так называемых «электрических» космических аппаратов. Это спутники, которые используют для перевода с геопереходной (ГПО) на геостационарную орбиту (ГСО), а также для стабилизации «точки стояния» (орбитальной позиции) экономичные электроракетные двигатели (ЭРД) вместо прожорливых ЖРД, работающих на химическом топливе.
В настоящее время ракета-носитель, как правило, выводит коммерческий телекоммуникационный аппарат на ГПО с низким перигеем и высоким апогеем, откуда спутник добирается на целевую орбиту «своим ходом» путем включения бортовой двигательной установки. Затраты характеристической скорости на маневр перехода составляют обычно 1500–1800 м/с. Существующие двигатели на долгохранимых компонентах расходуют на него топливо, которое составляет 40–45% начальной массы спутника. Современные электроракетные двигатели имеют скорость истечения рабочего тела на порядок выше (т.е. они на порядок экономичнее жидкостных двигателей), что позволяет в разы снизить массу топлива, заменив его целевым оборудованием или существенно облегчив космический аппарат. Таким образом, в точку стояния на ГСО может прибыть два аппарата одной и той же конечной массы, но при этом маневр с ГПО начнет либо шеститонный спутник с химическим двигателем, либо аппарат массой около 3,5–4,0 т с электроракетным. Разница – налицо. Именно она открывает возможность запуска спутников связи более дешевыми носителями меньшего класса грузоподъемности.
Электроракетные двигатели известны многие десятилетия, но долгое время их широкое распространение сдерживали недостаточный ресурс системы, высокая потребная энергетика и большое время работы. Сейчас, когда ЭРД наработали нужную статистику и обладают требуемым ресурсом, а массы и мощности самих спутников выросли настолько, что солнечные батареи, которые обеспечивают в точке стояния работу бортового комплекса аппаратуры связи, могут давать на перелете необходимый приток энергии, две первые проблемы можно считать во многом решенными. Остается третья, которая является главным недостатком электроракетных систем. Если переход с ГПО на ГСО с использованием жидкостного двигателя может в идеале выполняться за один виток (несколько часов), то электроракетный двигатель из-за очень малой тяги реализует потребное изменение орбиты за несколько месяцев! Прежде операторы спутников не могли мириться с тем, что ввод их аппаратов в строй задерживается на столь большой промежуток времени (в это время собственник несет только расходы, не получая прибыли), в который к тому же тратится ресурс целевой (связной) аппаратуры – последняя длительное время подвергается воздействию космического излучения при многократных пролетах радиационных поясов Земли (спутник с жидкостным двигателем проскакивает опасные зоны за один – максимум 5–10 проходов). Из-за «третьей причины» спутники с ЖРД не сдают позиций. Соответственно, на рынке сформировались две группы аппаратов связи – «легкие» (массой до 3,5–5 т) и «тяжелые» (массой свыше 5 т).
Очевидно, что возможности штатного «Протона-М», рассчитанного на выведение на ГПО спутников массой до 6,2 т и более, явно избыточны для задач запуска многих современных «электрических» аппаратов. Между тем, по прогнозам, в 2017–2024 гг. на ГПО будет доставлено на 70% больше спутников в диапазоне масс от 3,5 до 5 т, чем за предыдущую семилетку. На тот же период прогнозируется стабильный спрос на запуски аппаратов массой от 5 до 6,2 т и выше. В этом диапазоне энергетика «Протона-М» уже недостаточна для части тяжелых спутников.
Современные зарубежные носители могут выводить на ГПО полезные грузы массой до 10–12 т. Например, европейский Ariane 5ECA способен доставить на такую орбиту два аппарата общей массой до 9,5 т («парный запуск») или один массой до 10,5 т («одиночный запуск»). Идущий ему на смену Ariane 6 (первый пуск планируется на 2020 г.) обеспечит доставку на ГПО одного или нескольких спутников общей массой от 5 т (вариант Ariane 62) до 11 т (Ariane 64). Еще большими возможностями будет обладать китайский тяжелый носитель CZ-5 (первый пуск ожидается в 2016 г.) – предполагается, что он сможет вывести на ГПО массу 13–14 т. Таким образом, в сегменте тяжелых спутников нынешние варианты «Протона-М» с какого-то момента могут утратить конкурентоспособность в грузоподъемности по сравнению с зарубежными носителями, что означает потерю некоторой доли рынка.
Сектор «легких» коммерческих спутников и тот сегмент, где отечественный носитель занимал самое устойчивое положение, за последние годы кардинально изменился. Поменялся состав пусковых провайдеров. Десять лет назад поле было фактически поделено между тремя игроками – европейским Arianespace (с носителем Ariane 5), российско-американским ILS («Протон-М») и международном SeaLaunch Company («Зенит-3SL»). После банкротства в 2009 г. консорциум SeaLaunch практически вышел из игры. Но в 2013 г. на рынок ворвался новый провайдер – американская SpaceX. Некоторое время на новичка смотрели свысока: исходный вариант ракеты Falcon 9 мог выводить на ГПО полезную нагрузку не тяжелее 3,4 т, и по этому показателю мог конкурировать разве что с «Союзом-STБ», стартующим из Куру. Однако такое положение продолжалось недолго: за какие-то два-три года компания Илона Маска вышла на лидирующие позиции. Последняя модификация носителя – Falcon 9FT – способна доставлять на ГПО аппараты массой до 5,5 т при использовании многоразовой первой ступени и до 8,3 т – в полностью одноразовом варианте. В настоящее время SpaceX способна проводить 10–12 пусков в год с перспективой дальнейшего роста до 24 или даже до 40 миссий!
Мало того, что Илон Маск предлагает самые низкие цены на геостационарные носители (полностью отрицая факт демпинга и утверждая, что компания при этом получает хорошую прибыль), в самом ближайшем будущем он намерен снизить стоимость пуска еще примерно на треть за счет повторного использования первой ступени носителя Falcon 9. Однако операторов рынка пусковых услуг пугает не столько вектор ценовой политики SpaceX, сколько ее неопределенность. Пару лет назад на вопрос одного из спутниковых операторов о ценовой политике, президент компании Гвин Шотвелл ответила, что цены будут снижаться. Но какими темпами, и в какие сроки это снижение будет происходить, никто сказать не может, и именно это вносит элемент непредсказуемости в динамику развития пускового рынка. Кроме того, никто не может отрицать тот факт, что, завоевав значительную долю на рынке, SpaceX не станет придерживаться декларированной политики, но будет диктовать свои условия.
Описанные факторы объективно ведут к риску утраты своей доли рынка российскими поставщиками пусковых услуг. Уже сейчас ежегодное число пусков «Протона-М» снизилось до 5–6 в год вместо 10–12 в лучшее время. В случае окончательного передела рынка между SpaceX и Arianespace (при возможном приходе новых игроков с такими носителями, как CZ-5) и выдавливания ILS за «Протоном-М» останется 2–3 пуска в год только по федеральным заказам. Следствие – падение прибыли, рост себестоимости производства и заметное ухудшение финансового состояния ГКНПЦ им. М.В. Хруничева.
Ситуация усугубляется тем, что в силу объективных и субъективных причин сроки ввода в строй носителей нового семейства «Ангара» замедлились. Полноценная коммерческая эксплуатация ракеты может начаться на пять лет позже, чем предполагалось ранее. Но выживать надо уже сегодня. Поэтому предприятие и решило заняться адаптацией «Протона-М» к современным условиям «здесь и сейчас».
Для удержания доли на пусковом рынке Центр Хруничева расширяет диапазон энергетических характеристик «Протона-М», для чего создаются две новые модификации: «Протон-Лайт» для сегмента легких спутников, и «Протон-М+» – для сегмента тяжелых.
Увеличение до 7 т массы полезного груза, выводимого на ГПО, для «Протона-М+» будет достигаться тактикой сравнительно мелких шагов: продолжится многоэтапное облегчение конструкции (в частности, с разгонного блока снимут часть аппаратуры), ракету перестанут окрашивать и, возможно, будут запускать по трассе с меньшим, чем сейчас, наклонением. Кроме того, используемый ныне дорогостоящий головной обтекатель диаметром 4,35 м, изготовленный из композиционных материалов, планируется заменить металлическим, имеющим диаметр 5,2 м.
В результате всех мероприятий стоимость пуска снизится: в свете сегодняшнего отношения рубля к доллару можно будет предлагать пусковые услуги по цене порядка 75 млн долл. и ниже без ущерба доли прибыли, которое получает предприятие-изготовитель. Таким образом, «Протон-М+» закрепит конкурентные преимущества, по крайней мере, перед Ariane 5, на которой запуск спутника массой 6,5 т (в верхней позиции под головным обтекателем) обходится заказчику в 90 млн долл. (современный тяжелый европейский носитель оптимизирован для парных запусков геостационарных спутников: один из них («легкий») размещается в нижней позиции, а второй («тяжелый») – в верхней).
Уменьшить массу полезной нагрузки (как говорят компьютерщики, «сделать даунгрейд») «Протона-М» можно несколькими способами. Самый простой – снизить рабочий запас топлива в баках. Однако на стоимости пуска это практически не отразится: она очень мало зависит от цены компонентов топлива, и значительно (в первую очередь) – от расходов на производство конструкции ракеты и проведение пусковых операций. Поэтому ГКНПЦ пошел более благодарным путем: предприятие прорабатывает систему, в основе которой лежит не трехступенчатая (как сейчас), а двухступенчатая ракета, которая и получила название «Протон-Лайт».
Новый носитель будет отличаться от базового «Протона-М» отсутствием блока нынешней второй ступени. Первая и третья (ставшая второй) ступени, а также межступенчатый переходник, будут доработаны. Для того чтобы не слишком сильно страдало массовое совершенство носителя, часть функций третьей ступени будет передано разгонному блоку. Таким образом, новая ракета при стартовой массе порядка 600 т будет способна вывести на ГПО до 5 т полезного груза.
Наблюдатели замечают, что при неизменной стартовой тяге начальная масса «Протона-Лайт» заметно ниже, чем у исходной ракеты (примерно на 18–20%), в результате чего максимальные продольные перегрузки в конце активного участка работы первой ступени могут достигать слишком больших (неприемлемых для полезного груза) значений – до 8–9 единиц. Разработчики предполагают применить ряд мероприятий для ограничения нагрузок на конструкцию.
По заявлениям руководства ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, проект «Протон‑Лайт» – полностью коммерческий, и финансируется на заемные средства. Согласно публикациям в СМИ, разработчики предполагают снизить себестоимость ракеты, по сравнению с базовым «Протоном-М», примерно на 25%. Соответственно, стоимость коммерческого пуска можно оценить в 50–58 млн долл., что позволит повысить конкурентоспособность носителя.
На первый взгляд, технических препятствий к осуществлению проекта «Протон‑Лайт» нет: изменения в конструкции не слишком велики, а исключение крупной ступени с четырьмя мощными ракетными двигателями позволит не только снизить стоимость пуска, но и повысить надежность носителя.
Однако любая современная система выведения довольно жестко завязана на наземную инфраструктуру. Пуски «Протонов» проводятся с двух стартовых комплексов, расположенных на космодроме Байконур в Казахстане. С точки зрения конструкции, у этого носителя есть преимущество по сравнению с аналогичными зарубежными системами, поскольку заправка всех ступеней осуществляется через интерфейсы нижнего торца ракеты. Соответственно, изменение числа и габаритов верхних ступеней не влечет за собой значительных изменений этих интерфейсов. Однако в связи с возможным изменением габаритов (особенно первой ступени), вероятно, придется пересмотреть технологию транспортировки блоков с Ракетно-космического завода ГКНПЦ им. М.В. Хруничева на космодром. Также необходимо внести изменения в некоторое космодромное оборудование, в частности, транспортно-установочный агрегат, магистрали подачи газов и другие элементы технического и стартового комплексов. Однако проект «Протон-Лайт» изначально предусматривал такие варианты модернизации наземной инфраструктуры, которые должны обеспечить универсальность этих комплексов при эксплуатации носителя всех вариантов – и штатного («Протон-М»), и «тяжелого» («Протон-М+»), и «легкого» («Протон-Лайт»).
Насколько больших затрат потребует модификация стартовой инфраструктуры, оценить со стороны трудно. Однако, судя по тому, что руководители Центра Хруничева планируют осуществить первый пуск «Протона-Лайт» уже в 2018 г., они не будут большими.
Успешная реализация описанных выше проектов должна позволить ГКНПЦ обеспечить сохранение за собой заметной доли рынка пусковых услуг до 2025 г., когда, как ожидается, должна начаться полномасштабная (в т.ч. и коммерческая) эксплуатации более современной ракеты «Ангара-А5». По мнению Александра Медведева, последняя способна захватить до 60% пускового рынка. Стоимость производства и пуска носителей нового семейства – «вещь в себе», она заложена в проект, но подвержена сильному влиянию внешних факторов. Остается надеяться, что серийность, нарастающая при увеличении ежегодного числа пусков, будет фактором, играющим на снижение стоимости. «В перспективе «Ангара-А5» будет на 10–20% дешевле «Протона-М», – считает генеральный конструктор ОРКК.
Естественно, к проекту «Протон-Лайт» следует относиться именно как к временному решению, которое необходимо до ввода в эксплуатацию новых носителей. К тому же «апгрейд» «Протона-М» ограничен исчерпанием модернизационного потенциала конструкции – ракета уже «вылизана» практически до предела. А из-за санкций применение «хайтека» (например, суперсовременной электронной компонентной базы) маловероятно. Дальнейшее снижение энергетики, соответственно, нецелесообразно, поскольку уменьшение грузоподъемности приведет ракету в нишу, где сейчас главенствует «патриарх» среднего класса «Союз», который заметно дешевле «Протона» и эксплуатируется с четырех космодромов – Байконура, Плесецка, Куру и Восточного.
В целом проект «Протон-Лайт» следует оценивать положительно. Сохранение доли пускового рынка благотворно скажется не только на экономических показателях конкретного предприятия, но и на всей ракетно-космической отрасли страны. Однако возникает вопрос: не отвлечет ли проект ресурсы ГКНЦП им. М.В. Хруничева от магистральной задачи – запуска в серию носителя семейства «Ангара» и создание новых, более совершенных модификаций этой модульной ракеты? Чтобы этого не произошло, очень важно реализовать проект быстро и с минимальными затратами. Только в этом случае можно «убить двух зайцев»: сохранить место на рынке и не навредить перспективным разработкам.
Печатная версия материала опубликована в журнале "Взлёт" № 9/2016
