Ракеты OTRAG: Модульная система доставки спутников 1970-х и 80-х годов.

Введение

Ракета OTRAG — модульная ракета-носитель для вывода спутников на орбиту, разработанная компанией OTRAG в 1970-х и 1980-х годах. Ракета OTRAG задумывалась как ракета, собранная из нескольких серийно выпускаемых блоков, предназначенная для вывода на орбиту спутников весом 110 тонн и более. Предполагалось, что благодаря массовому производству стоимость ракеты будет в 10 раз ниже, чем у традиционных ракет-носителей аналогичной грузоподъемности.

Дизайн

Различные ракеты OTRAG могли быть построены из CRPU (Common Rocket Propulsion Unit) компании. Зондирующая ракета объединяла бы четыре или более CRPU параллельно, с полезной нагрузкой наверху. Для вывода на орбиту требовались бы от десятков до сотен CRPU, в зависимости от массы полезной нагрузки. Затем ракета осуществляла бы ступенчатое разделение, сбрасывая внешние CRPU и оставляя внутренние для продолжения полета с полезной нагрузкой. CRPU представлял собой стальную трубу диаметром 27 см и длиной 16 м, собранную из нескольких более коротких труб. CRPU был разделен на три секции алюминиевыми переборками с дополнительными кольцами жесткости между ними. В передней части большая часть трубы содержала смесь азотной кислоты и окислителя – тетраоксида азота. Далее располагалась секция с керосиновым топливом. Использовался керосин коммерческой марки, а не более дорогой RP-1. За ней следовала двигательная секция. Топливопровод подавал азотную кислоту вокруг керосина, непосредственно в двигатель. Конструкция CRPU была предельно простой. Трубы были достаточно прочными, чтобы подача топлива в двигатель осуществлялась только под давлением, что исключало необходимость в турбонасосах. Двигатель охлаждался абляционно, что устраняло потребность в сложных топливных каналах и жаропрочном керосине. Двигатель не имел системы отклонения тяги; вместо этого управление осуществлялось за счет изменения тяги CRPU с одной стороны относительно противоположной. Таким образом, двигатель был встроен непосредственно в стенки трубы, а единственными механизмами являлись дроссельные клапаны. Отдельная система наддува не предусматривалась; топливные баки оставлялись с воздушным пространством, которое затем заполнялось газом до нескольких сотен фунтов на квадратный дюйм. Благодаря узким трубам переборки между секциями могли быть выполнены в виде простых пластин, а не куполов, как в большинстве других ракетных ступеней. Система зажигания отсутствовала; вместо этого перед подачей керосина впрыскивалась порция фурфурилового спирта. Фурфуриловый спирт самовоспламенялся при контакте с азотной кислотой. Использование абляционного охлаждения, высокопрочной стальной конструкции и больших "пустых" объемов делало CRPU тяжелым и с относительно низкой эффективностью. Диаметр трубы также ограничивал диаметр двигателя, препятствуя использованию эффективного сопла с высоким расширением для верхних ступеней. Однако объединение CRPU в три ступени было достаточно для достижения орбиты. При этом низкая стоимость каждого CRPU, обусловленная экономией от масштаба при производстве сотен или даже тысяч единиц в год, сделала бы ракету дешевле, чем ее аналоги. Базовая конструкция ракеты-носителя компании предполагала вывод на орбиту одной метрической тонны полезной нагрузки. Она состояла бы из третьей ступени из четырех CRPU, окруженной второй ступенью из двенадцати CRPU, в свою очередь окруженной 48 CRPU первой ступени. Более крупные ракеты-носители и большая грузоподъемность достигались бы за счет увеличения количества CRPU, возможно, до нескольких сотен на запуск для тяжелой ракеты-носителя. Компания прогнозировала, что CRPU в конечном итоге станут настолько дешевыми, что восстановление и модернизация ракеты-носителя не будут выгоднее, чем простое производство новых экземпляров. Использование хранимых компонентов топлива и небольшого количества движущихся частей упрощало бы операции на стартовой площадке. Ожидалось, что эти преимущества компенсируют недостатки небольшой удельной импульсивности и доли полезной нагрузки.

Various OTRAG rockets could be built up from the company's CRPUs (Common Rocket Propulsion Unit). A sounding rocket would bundle four or more CRPUs in parallel, topped with the payload. An orbital launcher would use dozens to hundreds of CRPUs, depending on payload mass. The launcher would then stage by dropping outer CRPUs, leaving the interior ones to continue with payload. A CRPU was essentially a steel tube, 27 cm in diameter and 16 meters long, joined from a few shorter tubes. The CRPU was divided into three sections by aluminium bulkheads, with additional stiffening rings between bulkheads. Forward, the majority of the tube contained a mixture of nitric acid and nitrogen tetroxide oxidisers. Next was a section of kerosene fuel. This was commercial grade kerosene, not the more expensive RP 1. Last was the engine section. A fuel line carried nitric acid around the kerosene, into the engine. The design of the CRPU was extremely simple. The tubing was strong enough that the propellants were fed to the engine by pressure alone. This eliminated the need for turbopumps. The engine was ablatively cooled, eliminating the need for fine fuel passages and heat resistant kerosene. The engine did not gimbal; instead, the vehicle was steered by throttling one side's CRPUs versus the opposite side. Thus, the engine was simply built into the tube walls, with the only mechanisms being the throttling valves. No separate pressurising system was included; the tanks were simply left with an ullage space, which was then filled with gas to a few hundred psi. Because of the narrow tubing, the bulkheads between sections could be simple plates, instead of domes like virtually all other rocket stages. There was no ignition system; instead, a slug of furfuryl alcohol was injected before the kerosene. The furfuryl alcohol ignited spontaneously upon contact with the nitric acid. The use of ablative cooling, high pressure steel construction, and large "empty" spaces meant that a CRPU was heavy, with relatively low performance. The diameter of the tubing also put a hard limit on the engine diameter, preventing use of an efficient, high expansion nozzle for the upper stages. However, ganging CRPUs into three stages was sufficient to reach orbit. Meanwhile, the low cost of each CRPU, after the economies of scale gained by producing hundreds or possibly thousands of them per year, would have still left the vehicle cheaper than its contemporaries. The company's baseline launcher design claimed to lift one metric ton to orbit. It would have consisted of a third stage core of four CRPUs, surrounded by a second stage of twelve CRPUs, in turn surrounded by the first stage's 48 CRPUs. Larger vehicles and capacities would be achieved with greater numbers of CRPUs, possibly including several hundred per flight for a heavy launcher. The company forecast that CRPUs would eventually be so cheap, recovering and refurbishing a launcher would be no better than simply building more units. The use of storable propellants and few moving parts meant that launch site operations would also be very simple. These advantages were expected to overcome the disadvantages of small specific impulse and payload fraction.

История полетов

Двигатели были тщательно испытаны на наземных стендах как на немецких, так и на африканских полигонах. Эксперименты проводились с использованием различных составов топлива и окислителя, поскольку общая конструкция была достаточно надежной. Было построено и испытано несколько небольших машин (по 4 единицы) в Северном Шаба (Заир) и Себа-Оазис (Ливия), где были достигнуты высоты от 20 до 50 километров. Длина использованных ракет составляла 6 и 12 метров. Базовая концепция CRPU была признана работоспособной, хотя у некоторых ракет возникали проблемы с системой наведения или сбои в работе компонентов. Последний запуск ракеты OTRAG состоялся 19 сентября 1983 года на Эсранге. После этого запуска предполагалось использовать ракету OTRAG для высотных исследований. Однако политическое давление привело к закрытию проекта, как описано в статье об OTRAG. После ухода компании из Ливии в 1987 году правительство конфисковало часть оставшегося оборудования. Тем не менее, для продолжения проекта Ливии не хватило достаточного количества деталей и необходимых знаний.