Криогенный разгонный блок

Криогенный разгонный блок — это разгонный блок (РБ) ракеты-носителя, использующий в качестве компонентов топлива криогенные жидкости, как правило, жидкий водород (окислитель) и жидкий кислород (горючее). Основное назначение криогенного РБ — обеспечение выведения космических аппаратов на высокие энергетические орбиты (геопереходные, геостационарные, отлётные к планетам) за счёт многократных включений двигателя. Криогенные разгонные блоки обладают наибольшим удельным импульсом среди всех типов РБ, что делает их оптимальными для задач, требующих максимального прироста скорости.

История развития

Ранние проекты и первые применения

Первые теоретические и экспериментальные работы по использованию водорода в качестве ракетного топлива начались в 1950-х годах в США и СССР. В США программа «Центавр» (Centaur) стала первой в мире, реализовавшей криогенный разгонный блок. Первый успешный пуск «Центавра» состоялся в 1963 году. Блок использовался для выведения аппаратов программы «Сервейер» (Surveyor) и спутников связи. В СССР разработка криогенного РБ началась в 1960-х годах в ОКБ-1 (ныне РКК «Энергия»). Первым советским криогенным разгонным блоком стал РБ «Л» (11С824), использовавшийся на ракете-носителе «Протон-К». Первый пуск с РБ «Л» состоялся в 1974 году, однако из-за несовершенства конструкции и проблем с длительным хранением жидкого водорода блок применялся ограниченно.

Современные разработки

В 1990-х — 2000-х годах криогенные разгонные блоки стали ключевым элементом ракет-носителей тяжёлого и сверхтяжёлого классов. В России был разработан РБ «Бриз-М» (с использованием криогенного топлива — кислород/керосин, хотя его часто относят к смешанному типу), а также РБ «ДМ» (кислород/керосин). Однако наиболее известным российским криогенным РБ является «КВТК» (Криогенный водородный топливный комплекс) — проект, реализованный в рамках ракеты-носителя «Ангара-А5». В США основным криогенным РБ является «Центавр» в различных модификациях (Centaur III, Centaur V), используемый на ракетах Atlas V, Vulcan Centaur и ранее на Titan. В Европе криогенный РБ «Эскорт» (ESC) применяется на ракетах Ariane 5 и Ariane 6. В Китае разработан РБ «YF-75» для ракет «Чанчжэн-5» и «Чанчжэн-7».

Конструкция и принцип работы

Основные компоненты

Криогенный разгонный блок включает следующие основные системы:

• Двигательная установка (ДУ) — один или несколько жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), работающих на криогенном топливе. Типичные двигатели: RL-10 (США), РД-0146 (Россия), YF-75 (Китай).
• Топливные баки — сферические или цилиндрические баки из алюминиевых или титановых сплавов, оснащённые теплоизоляцией (вакуумно-многослойная экранно-вакуумная изоляция) для минимизации испарения криогенных жидкостей.
• Система подачи топлива — турбонасосные агрегаты, обеспечивающие подачу компонентов в камеру сгорания под высоким давлением.
• Система управления — бортовой компьютер, гироскопы, акселерометры, обеспечивающие ориентацию и стабилизацию блока.
• Система терморегулирования — поддержание температуры компонентов в заданных пределах (для жидкого водорода — около 20 К, для жидкого кислорода — около 90 К).
• Система разделения — механизмы отделения РБ от ракеты-носителя и от полезной нагрузки.

Принцип работы

После отделения от ракеты-носителя криогенный РБ выполняет одно или несколько включений двигателя. Первое включение обычно происходит на низкой опорной орбите (200–300 км). За счёт работы двигателя блок переводит полезную нагрузку на эллиптическую орбиту с высоким апогеем. После длительного пассивного полёта (от нескольких минут до нескольких часов) выполняется второе включение, которое формирует финальную орбиту (геостационарную, отлётную). Криогенные компоненты требуют постоянного сброса избыточного давления и испаряющегося газа, что ограничивает время пассивного полёта (обычно не более 6–12 часов).

Классификация

По типу топлива

• Водородно-кислородные — наиболее распространённые. Удельный импульс до 450–460 с в вакууме. Примеры: «Центавр», «КВТК», «YF-75».
• Кислородно-метановые — перспективные, разрабатываются с 2010-х годов. Метановые двигатели (например, Raptor компании SpaceX) обладают высокой плотностью топлива и меньшим коксованием. Примеры: РБ «Блок 2» (Россия, проект), РБ «Methane» (Китай, проект).
• Кислородно-керосиновые — часто не относят к криогенным, так как керосин не является криогенной жидкостью, однако некоторые РБ (например, «ДМ») используют жидкий кислород в качестве окислителя.

По количеству ступеней

• Одноступенчатые — большинство современных криогенных РБ (например, «Центавр»).
• Двухступенчатые — редкие, например, советский РБ «Л» (имел две ступени с водородными двигателями).

Применение

Выведение на геостационарную орбиту

Криогенные РБ являются основным средством выведения спутников связи и вещания на геостационарную орбиту (ГСО). Типичная схема: ракета-носитель выводит РБ с полезной нагрузкой на низкую опорную орбиту, затем РБ выполняет 2–3 включения для перевода на ГСО. Примеры: спутники серии «Экспресс-АМ» (Россия), «Eutelsat» (Европа), «DirecTV» (США).

Межпланетные миссии

Криогенные РБ используются для выведения космических аппаратов на отлётные траектории к Луне, Марсу, Венере и другим небесным телам. Примеры: миссия «Луна-25» (Россия, 2023) — использовался РБ «Фрегат» (криогенный, кислородно-керосиновый), миссия «Mars 2020» (США) — использовался «Центавр».

Выведение на высокоэллиптические орбиты

Для спутников на высокоэллиптических орбитах (например, «Молния» или «Тундра») криогенные РБ обеспечивают необходимый прирост скорости.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокий удельный импульс — до 460 с, что позволяет выводить более тяжёлую полезную нагрузку на заданную орбиту по сравнению с РБ на других типах топлива.
• Многократное включение — до 4–6 включений за полёт, что позволяет гибко формировать орбиту.
• Экологичность — продукты сгорания водорода и кислорода — водяной пар, не загрязняющий атмосферу.

Недостатки

• Сложность хранения — криогенные жидкости требуют постоянного охлаждения и имеют высокую скорость испарения (до 1–2% в час), что ограничивает время полёта.
• Высокая стоимость — производство жидкого водорода энергоёмко и дорого, а также требует специальной инфраструктуры.
• Техническая сложность — необходимость в вакуумной теплоизоляции, турбонасосах высокого давления, системах сброса паров.

Примеры криогенных разгонных блоков

Россия

• «КВТК» (Криогенный водородный топливный комплекс) — разработан для ракеты «Ангара-А5». Использует двигатель РД-0146. Первый пуск состоялся в 2021 году.
• «Фрегат» (НПО Лавочкина) — кислородно-керосиновый РБ, используемый на ракетах «Союз-2.1б» и «Протон-М». Хотя керосин не является криогенным, жидкий кислород — криогенный компонент, поэтому блок часто относят к криогенным.
• «ДМ» (РКК «Энергия») — кислородно-керосиновый РБ, использовавшийся на «Протоне» и «Зените».

США

• «Центавр» (Centaur) — самый старый и распространённый криогенный РБ. Модификации: Centaur III (Atlas V), Centaur V (Vulcan Centaur). Двигатель RL-10.
• «Криогенный разгонный блок» (Cryogenic Upper Stage) — проект компании SpaceX для Starship (не реализован).

Европа

• «Эскорт» (ESC) — водородно-кислородный РБ для Ariane 5 и Ariane 6. Двигатель HM7B.

Китай

• YF-75 — водородно-кислородный РБ для ракет «Чанчжэн-5» и «Чанчжэн-7». Двигатель YF-75.

Перспективы развития

В 2020-х годах активно разрабатываются криогенные разгонные блоки на метане. Метановые двигатели (например, Raptor компании SpaceX) позволяют снизить стоимость и упростить хранение топлива. В России ведётся разработка РБ «Блок 2» на кислородно-метановом топливе для ракет «Ангара-А5В» и «Союз-5». В Китае создаётся РБ «Methane» для ракет «Чанчжэн-9». Также ведутся работы по созданию многоразовых криогенных разгонных блоков, которые могут возвращаться на Землю после отделения полезной нагрузки.

Источники

• «Ракетные двигатели на криогенном топливе» — под ред. В. П. Глушко, 1985.
• «Космонавтика: энциклопедия» — под ред. В. П. Глушко, 1985.
• «Ракеты-носители и разгонные блоки» — А. В. Колесников, 2010.
• «Space Propulsion Analysis and Design» — R. W. Humble, 1995.
• «Криогенные разгонные блоки: история и перспективы» — журнал «Ракетно-космическая техника», 2020.