Космическая Индия, часть 1: от технологически отсталой до ведущей космической державы мира

23 августа 2023 года в лагере космических держав мира стало одним участником больше. Индийская беспилотная посадочная платформа Chandrayaan 3, стартовавшая с Космического центра имени Сатиша Дхавана (SDSC) на ракете-носителе индийского производства LVM-3 пятью неделями ранее, коснулась южного полюса Луны. Это событие сделало Индию четвертым государством в мире, которое самостоятельно смогло организовать и воплотить едва ли не самую сложную технологическую задачу изо всех существующих.

Сегодня выясним, как страна, еще 50 лет назад не имевшая ни одного собственного спутника на орбите, сумела достичь таких результатов. Итак, далее — рассказ о триумфальном пути индийской космической программы.

Первый опыт: спутник Aryabhata и созвездие Rohini

История Индийской организации космических исследований (Indian Space Research Organisation, ISRO) начинается в 1962 году — тогдашний премьер-министр Индии Джавахарлал Неру весьма своевременно разглядел потенциал космических исследований. По его распоряжению создается Индийский национальный комитет космических исследований (INCOSPAR), в 1969-м переименованный в ISRO.

Первой серьезной целью вновь созданного космического агентства стал запуск на орбиту собственного спутника. Однако тогда, в начале 1970-х, Индия не имела подобного опыта и только начала разрабатывать SLV (Satellite Launch Vehicle) — малую ракету-носитель для доставки спутников на орбиту. Дело в том, что первая индийская малая ракета-носитель Rohini RH-75, хотя и осуществила удачно 15 запусков подряд с 1967 по 1968 год, однако максимальная высота, на которую она могла взлететь, составляла всего 50 км, чего было недостаточно для вывода спутника даже на низкую околоземную орбиту (LEO).

В силу этих обстоятельств Индия была вынуждена просить одну из двух космических держав помочь запустить спутник. Выбор пал на СССР — в 1972 году две эти страны заключили соглашение о сотрудничестве в аэрокосмической сфере. В обмен на доступ к советским ракетам Индия обязалась предоставлять место в своих портах для стоянок советского флота. После подписания соглашения ISRO начала строительство своего первого спутника — Aryabhata, названного так в честь индийского астронома, жившего в V веке н.э.

Главной целью космической миссии Aryabhata стали эксперименты в рентгеновской астрономии и физике Солнца. Космический аппарат диаметром 1,4 м был полностью покрыт солнечными панелями для обеспечения бесперебойной генерации электроэнергии для питания спутника.

19 апреля 1975 года с советского космодрома вблизи городка Капустин Яр Aryabhata отправился в космическое путешествие на ракете-носителе «Космос-3М». Спутник беспрепятственно отстыковался от ракеты, заняв свое место на низкой околоземной орбите Земли на высоте ≈ 600 км. Однако тщетно было надеяться, что первая миссия новосозданной ISRO завершится полным успехом. Несмотря на большое количество солнечных панелей, уже на четвертые сутки работы Aryabhata столкнулся с критическим сбоем системы электропитания. Заряда батарей зонда хватило еще на сутки функционирования, после чего спутник не отправил на Землю ни одного сигнала, оставшись курсировать на орбите вплоть до февраля 1992 года, когда сгорел в атмосфере Земли.

Тем не менее, именно с Aryabhata стартовала независимая спутниковая промышленность Индии. Уже через пять лет после досадной неудачи ISRO начала запускать в космос первое собственное спутниковое созвездие, которое должно было состоять из четырех зондов Rohini Satellite (RS).

Первый экспериментальный спутник под названием Rohini Technology Payload (RTP) был запущен 10 августа 1979 года с территории главной площадки Индии — Космического центра Сатиша Дхавана, основанного в 1969 году специально под нужды космических запусков. Несмотря на удачный старт и первые обнадеживающие минуты полета, спутник RTP так и не добрался на орбиту из-за неисправности топливного клапана. В итоге на 317-й секунде миссии SLV-3 E1 упала в воды Бенгальского залива.

В том же, 1979 году СССР помог Индии вывести на орбиту ее первую пару спутников для дистанционного наблюдения за Землей — Bhaskara I и Bhaskara IІ. Их две широкоугольные камеры были направлены на исследование океанов, наблюдение за лесами и геологическими структурами. Миссия длилась 10 лет, после чего ISRO прекратила обслуживать спутники, запустив их вновь в тестовом режиме только в 1991 году.

Несмотря на неудачу SLV-3 E1, было очевидно, что Индия вплотную приблизилась к своему первому орбитальному запуску посредством следующей версии SLV-3. Историческое событие состоялось 18 июля 1980 года, когда ракета-носитель все же смогла доставить на орбиту спутник RS-1, сделав Индию седьмой страной в мире, которая отныне имела технические возможности для собственных орбитальных запусков.

Достигнув орбиты, спутник RS-1 активировал ряд датчиков, среди которых были магнитометр, датчик температуры, а также уникальный цифровой — для наблюдения за Солнцем. Аппарат проводил исследования до 20 мая 1981 года, далее сошел со своей орбиты и сгорел в атмосфере Земли.

В течение следующих трех лет SLV-3 запускали еще дважды, в последний раз — в 1983 году, после чего ракету отправили на заслуженную пенсию. Индия наконец избавилась от зависимости от других космических государств, полностью взяв развитие собственной космической программы в свои руки.

Развитие собственного ракетного парка: появление PSLV

Наряду с разработкой SLV-3 начинается осмысление идеи создания ракет большей мощности и грузоподъемности. В 1982 году ISRO воплощает предварительные наработки в конкретный проект PSLV (Polar Satellite Launch Vehicle) — четырехступенчатую ракету средней мощности для доставки спутников на солнечно-синхронную и полярную орбиты Земли.

Однако создание PSLV продвигалось не столь оживленно, как у ее предшественницы, преимущественно потому что у ракеты довольно сложная четырехступенчатая архитектура, которой надлежало идеально работать во время космического запуска. Поэтому до момента, как первая индийская ракета средней грузоподъемности начала выводить спутники на высокие полярную и солнечно-синхронную (550 км) орбиты, прошло долгих 15 лет.

Проект PSLV стартовал в 1978 году, когда в ISRO поступило 35 предложений с техническим видением будущей ракеты. Из них в 1980 году осталось только четыре проекта, а окончательный выбор занял два года. Дело в архитектурном видении питания последней ступени — главным образом тогда предлагали использовать твердое топливо, что было малоэффективным в ближнем космическом пространстве, ведь лучшими здесь виделись жидкостные двигатели.

С целью разработки новых типов криогенных двигателей ISRO создала Центр жидкостных двигательных систем — LPSC. Появление научно-исследовательского учреждения для производства жидкостных и криогенных ракетных двигателей в городе Тируванантапурам в 1985 году сыграло решающую роль не только в развитии PSLV, но и многих других ракетных систем большей мощности: GSLV (для запуска на геосинхронную орбиту), ASLV (для расширения возможностей запуска спутников) и других.

Развитие жидкостных двигателей, предложенных LPSC, буквально превратило ракету PSLV в слоеный пирог. Первая ступень (PS1) — это основной бустер, который приводился в движение твердотопливной силовой установкой S139, мощность которой дополняла тяга шести боковых ускорителей (в версии Core Alone (CA) боковые ускорители не использовались).

Вторая ступень ракеты (PS2), в свою очередь, уже использует жидкостный двигатель Vikas (разработка LPSC), способный продуцировать тягу 799 кН. Третья ступень (PS3), которой предстояло функционировать лишь 113 секунд, опять на твердом топливе. Ее силовая установка с тягой 250 кН работает на твердотельной топливной смеси полибутадиена с концевыми гидроксильными группами (НТРВ). Финальный этап полета ракеты выполняют спаренные криогенные двигатели с регенеративным охлаждением, всего 7,3 кН мощности каждый, и плавной системой подруливания, которая обеспечивается шестью мини-двигателями 50N RCS. 

20 сентября 1993 года первая модификация солнечно-полярной PSLV-G взлетела в космос. Это был относительно неудачный старт, учитывая, что нормально отработали только две первые ступени ракеты, а во время отделения третьей и четвертой произошла авария, приведшая к потере полезной нагрузки миссии. Страна оказалась в шаге от того, чтобы превратиться во второго в мире коммерческого поставщика услуг для запуска на данные типы орбит — до выхода Индии на этот рынок возможности запускать спутники на орбиту в 1993 году имела только рф.

В октябре следующего, 1994 года PSLV-G осуществила первый полностью успешный старт. В дальнейшем эта модификация ракеты прослужила еще 22 года, окончательно завершив эксплуатацию только в сентябре 2016-го, после запуска миссии PSLV-C35. Эта стандартная версия ракеты могла запускать на солнечно-синхронную орбиту (SSO: 600+ км) 1678 кг полезного груза. На сегодня ISRO эксплуатирует семь других модификаций PSLV, каждая из которых предназначена для собственных специфических потребностей запусков. Основные:

• PSLV-C. Первый запуск — 23 апреля 2007 года. Модель без шести боковых ускорителей. PS-1 для запуска использует исключительно тягу основной силовой установки (S139). Данная модификация расходует меньше топлива, а также несет на 400 кг меньше топлива для четвертой ступени. Впрочем, и не слишком мощная, ведь способна доставлять на SSO космические аппараты весом до 1100 кг.
• PSLV-XL. Первый запуск — 22 октября 2008 года. Более мощный вариант стандартной PSLV-G, с удлиненными боковыми ускорителями. Благодаря этому допустимую полезную нагрузку можно увеличить до 1750 кг на SSO. Данная модификация ракеты-носителя дебютировала при запуске лунного посадочного модуля Chandrayaan 1, доказав, что удлиненная конструкция вспомогательных бустеров имеет преимущество при запуске именно внеземных миссий. 
• PSLV-DL. Первый запуск — 24 января 2019 года. Версия ракеты с двумя навесными ускорителями, расположенными на главном бустере вместе с баком на 12 тонн топлива. 
• PSLV-QL. Первый запуск — 1 апреля 2019 года. Версия ракеты оснащена четырьмя вспомогательными ускорителями на первом этапе. Своеобразная золотая середина ракетных возможностей PSLV, способная выводить 1523 кг на SSO.

Несмотря на более чем 30-летнюю историю эксплуатации, ISRO не спешит отправлять PSLV на пенсию. Успешная непрерывная серия из 50 запусков подряд значительно укрепила доверие к ракетам агентства на глобальном рынке.

Недавно обнародованная новая модификация ракеты под названием PSLV-3S сейчас находится в разработке. Мощности ракеты хватит даже для того, чтобы запускать небольшую полезную нагрузку на отдаленные геосинхронную и геостационарную орбиты Земли (GEO: 35 578+ км). Но все равно под нужды запуска более серьезных космических миссий на GEO и дальше ISRO требуется транспорт понадежнее. Таким образом появился концепт самой мощной в настоящее время ракеты в арсенале ISRO — трехступенчатой GSLV.

GSLV: путь, который лучше преодолеть самостоятельно

Архитектура ракеты предусматривала наличие трех ступеней, комбинированных по тому же принципу поочередного использования различных типов маршевых двигателей. Основной твердотельный бустер (CA) полностью позаимствован у PSLV, однако четыре боковых ускорителя на поверхности его фюзеляжа использовали уже жидкостный двигатель Vikas, под который было выделено дополнительное место на первой ступени. Вторая ступень ракеты также почти полностью скопирована с PSLV, однако с более мощными жидкостными Vikas. Так что же тогда должно было позволить GSLV доставлять груз массой до 2,5 тонн на геосинхронную орбиту Земли?

По замыслу, основным отличием надлежало стать третьей ступени ракеты, которая бы питалась жидкостным двигателем, но со значительно большей тягой, чем у двигателя заключительной ступени PSLV. У ISRO действительно было очень современное видение своей новой ракеты, полностью совпадающее с ракетными тенденциями того времени: стремление к уменьшению количества ступеней, использование более мощных криогенных двигателей со способностью к подруливанию на последних этапах полета ракеты.

К сожалению, в этом проекте ISRO решила не возлагать ответственность за производство нового двигателя на Центр жидкостных двигательных систем, а приобрести уже готовое решение на рынке. Наиболее доступный и дешевый вариант предложили именно россияне — так на третьей ступени GSLV Mark I (первой модификации ракеты) появился российский криогенный двигатель КВД-1М, который «роскосмос» использовал для своих криогенных ракет «Протон». Именно «фактор КВД» в этом проекте фактически обнулил хотя бы минимальные шансы на успех первой версии ракеты Mark I.

На самом деле космическая Индия имела свое окно возможностей для разработки собственных криогенных двигателей по лицензии еще в 1990-х. Тогда ISRO и «роскосмос» подписали соглашение об обмене ракетными технологиями, поэтому прототип КВД-1М и многие другие технологии россиян могли попасть в страну, стимулируя собственную разработку ракетных компонентов в научно-исследовательских центрах страны. Но на процесс передачи повлияли США, которые наложили санкции на оба агентства, фактически сделав невозможным этот вариант развития событий.

Сразу же после первого неудачного старта GSLV Mk1 в 2001 году стало понятно, что силовая установка КВД-1М, которая разрабатывалась специально под тяжелые «Протоны», попросту несовместима с GSLV — ракетой среднего класса грузоподъемности. Ввиду этого обстоятельства из шести запусков ракеты на геосинхронную орбиту всего два были успешными. Все отказы и частичные отказы вызывало несоответствие тяги, из-за чего космические аппараты попадали на ненадлежащие орбиты. Большинство этих миссий были коммерческими, а значит, терялось дорогостоящее космическое оборудование заказчиков, которые потом уже не спешили иметь дело с Индией. ISRO осознала, что двигатель для последней ступени ракеты придется разрабатывать собственными силами.

Путь в одиночку не был быстрым — рабочая версия нового криогенного двигателя CE7.5 пребывала в разработке долгих 20 лет. Первую успешную демонстрацию провели только в 2014-м. Работая на топливной смеси из жидкого кислорода и жидкого водорода (LOX/LH2), он был способен обеспечить от 73,5-75 кН чистой тяги в стандартном режиме и 91,5 кН в режиме буста. Разработка индусов получилась даже мощнее российского КВД-1М. С января 2014-го, когда первая криогенная верхняя ступень (CUS) была удачно испытана на GSLV Mk2, эта модификация ракеты имеет уже шесть успехов подряд, фактически спасая GSLV от провала.

Криогенный двигатель CE7.5 сразу же утвердили и для использования на третьей модификации GSLV Mark III, или LVM-3. Даже внешне это был совсем другой взгляд на возможности, предложенные новыми типами криогенных двигателей — они могли выводить на орбиту значительно больше полезного груза. Всего представлено три основных модификации GSLV: Mark I (оснащена двигателем КВД-1М на заключительной ступени) Mark II (СЕ7.5 производства LPSC) и Mark III (также известна как LVM-3).

LVM-3 стала самой мощной из действующих ракет в арсенале ISRO. К тому же имела значительно меньше общего со своим предшественником, Mark II. Ее основную ступень L110 приводят в движение два жидкостных двигателя Vikas, разработанные в LPSC. Тяга второй ступени ракеты дополнена возможностями двух твердотопливных бустеров S200, используемых на этапе старта и работающих на топливной смеси НТРВ (полибутадиен с концевыми гидроксильными группами). Третья, криогенная ступень ракеты оснащена жидкостным двигателем СЕ20, который представляет собой более мощную версию СЕ7.5, установленного на предыдущей генерации GSLV.

Несмотря на то что ракета LVM-3 относится к среднему классу, ее переосмысленная конструкция позволяет носителю выводить на GEO до 4 тонн полезной нагрузки, и до 8 тонн — на LEO. Поражает и показатель безотказности ракеты: в настоящее время он составляет 100% (семь успехов семи запусков). Среди клиентов LVM-3, к примеру, были британская OneWeb (72 спутника запущено во время двух запусков LVM-3), а также ряд государственных спутниковых операторов (индийская серия спутников GSAT) и, конечно, лунный космический корабль Chandrayaan 3, в прошлом году совершивший первую удачную мягкую посадку индийцев на Луну.

Итак, в истории первой ракеты-носителя, которую Индия хотела использовать именно для коммерческих доставок на геосинхронную орбиту, все же есть свой урок. Он показал ISRO важную необходимость развития парка криогенных двигателей — без этого шага было просто невозможно рассчитывать на доминирование в межпланетных миссиях и на активный рост парка собственных спутников.

Фактически именно появление собственных криогенных двигателей стало одним из ключевых факторов, укрепивших позиции Индии в стане космических держав мира. Новые двигатели позволили стране доставлять на недосягаемые ранее высоты орбит собственные спутники телекоммуникации, навигации и наблюдения, запуск которых ранее осуществлялся сторонними ракетами-носителями. За 10 лет самостоятельности, предоставленных новыми ракетами, Индия нарастила средства, которые будут направлены на развитие первой в истории страны экипажной космической программы.

Индийский LPSC стал центром создания многих видов жидкостных ракетных двигателей, используемых на четвертой ступени PSLV, спутниках, а также на версиях космических кораблей и посадочных модулей, появившихся уже в XXI веке. Эти двигатели доставили Chandrayaan 3 на южный полюс Луны, а совсем скоро должны показать себя в первой пилотируемой демонстрации космического корабля Gaganyaan. Читайте об этих и многих других космических миссиях в следующей части нашего материала, посвященного развитию космической программы ISRO в последнее десятилетие.