Двухступенчатая межконтинентальная ракета Р-7

Здесь уместно сопоставление первых ступеней модульных РН с классической ракетой Р-7, у которой двигатели центрального блока и боковых блоков практически идентичны. Но за счёт большего объема баков центрального блока

при одинаковой скорости расхода топлива боковые блоки опустошаются быстрее и сбрасываются. При этом реализуется принцип многоступенчатости, дающий значительный эффект по характеристической скорости выведения полезной нагрузки.

Но как реализовать принцип многоступенчатости при одинаковых унифицированных блоках?

Это можно сделать, если двигатели любого из УРМ будут иметь большие пределы регулирования тяги (от 0,4 до 1,2 значения номинала). В этом случае при полёте на активном участке траектории в какой-то момент времени двигатели центрального модуля могут быть переведены на режим пониженной тяги. При этом баки периферийных УРМ, двигатели которых работают на номинале, опустошаются быстрее, после чего сами периферийные модули сбрасываются, а двигатель центрального блока переходит на режим номинальной тяги и УРМ продолжает полёт до полной выработки топлива. Момент переключения тяги ЖРД центрального УРМ и её величина должны выбираться из условий максимальной эффективности, достигаемой при проведении полёта по этой схеме. Так можно реализовать принцип многоступенчатости.

Для максимальной унификации комплектующих узлов и агрегатов двигатели с большим диапазоном регулирования тяги должны устанавливаться на всех УРМ. Но использование таких двигателей резко снижает эффективность применения РН модульной конструкции. Это объясняется тем, что в настоящее время стоимость нерегулируемого двигателя составляет примерно 30-40% стоимости ракетного блока, а стоимость регулируемого — от 60 до 70%.

Если же требование регулирования тяги предъявлять лишь к двигателям, которые установлены на центральном блоке, а не к двигателям на боковых блоках (там большого регулирования не требуется), то это уже будут не идентичные блоки, потому что они снабжены разными двигателями. И для того чтобы достичь эффективности по общим параметрам полёта, необходимо просчитывать, что обойдётся дешевле: применение регулируемых двигателей или изготовление неодинаковых блоков.

Хотя производство регулируемых двигателей сравнительно дорого, без них при построении РН по модульной конструктивно-компоновочной схеме не обойтись.

Ракетный двигатель РД-180

Лётные испытания РН, оснащённых регулируемыми двигателями РД-180, показали, что повышение эффективности РН может быть достигнуто при регулировании тяги ЖРД на различных участках траектории полёта. Например, в прохождении РН максимума скоростного напора, при разделении ее частей. При этом снижаются нагрузки, действующие на РН, повышается точность управления и т.п. При проектировании РН появляется возможность учитывать снижение нагрузки и облегчать конструкцию агрегатов и самой РН, увеличивать коэффициент заполнения, то ее повышать эффективность конструкции РН. Таким образом, использование регулирования тяги ЖРД всех УРМ в конечном итоге повышает и эффективность средств выведения.

Существуют и другие пути оптимизации характеристик РН, строящихся по модульному принципу. Примером может служить применение схем пакета блоков с переливом топлива. В полёте горючее из боковых модулей переливается в центральный модуль. В конце работы двигателя боковых УРМ топливные баки центрального двигателя УРМ должны быть полностью заправлены топливом, чтобы он мог продолжать полёт. Исследования показывают, что наибольшую скорость в конце полёта связки УРМ на первой ступени РН обеспечивает именно использование схемы пакета блоков с переливом топлива. При заданной массе полезной нагрузки и при прочих равных условиях эффективность РН определяется скоростью. Чем больше скорость, которую РН может сообщить полезной нагрузке, тем выше эффективность РН.

В процессе развития концепции создания РН по модульной схеме возможно дальнейшее повышение эффективности РН. Оно осуществимо при разработке более точных методов расчёта оптимизации параметров, применении модульных схем на верхних ступенях РН, использовании более дешёвых ЖРД с меньшей степенью регулирования и т. п.

Однако следует признать, что с учетом всех факторов, всех «за» и «против» повышение эффективности РН с использованием систем выведения, созданных по модульному принципу, возможно на небольшую величину — всего на 15-20%.

И, хотя применение модульного принципа позволяет заметно снизить удельную стоимость выведения полезной нагрузки, перспективным всё-таки видится путь применения комбинированных средств выведения.

Ракет-носитель Delta IV Heavy на стартовой площадке

К созданию РН, построенных на модульном принципе, в настоящее время приступили Россия (РН семейства «Ангара»), США (РН Atlas 5HLV — фирма Lockheed Martin, Delta IV Heavy — фирма Boeing). К РН модульной конструкции с определённой долей условности можно отнести РН семейства Н-2А, разрабатываемого фирмой Mitsubishi для JAXA — японского космического ведомства.