Космічна Індія, частина 1: від технологічно відсталої до провідної космічної держави світу

23 серпня 2023 року у таборі космічних держав світу стало на одного учасника більше. Індійська безпілотна посадкова платформа Chandrayaan 3, яка стартувала з Космічного центру імені Сатіша Дхавана (SDSC) на ракеті-носії індійського виробництва LVM-3 п’ятьма тижнями раніше, торкнулася південного полюсу Місяця. Ця подія зробила Індію четвертою державою у світі, яка самотужки змогла організувати і втілити чи не найбільш складне технологічне завдання з усіх наявних. 

Сьогодні з’ясуємо, як країна, що ще 50 років тому не мала жодного власного супутника на орбіті, зуміла досягти таких результатів. Отже, далі — розповідь про тріумфальний шлях індійської космічної програми.

Перший досвід: супутник Aryabhata і сузір’я Rohini

Історія Індійської організації космічних досліджень (Indian Space Research Organisation, ISRO) починається 1962 року — тодішній прем’єр-міністр Індії Джавахарлал Неру дуже вчасно розгледів потенціал космічних досліджень. За його розпорядженням створюється Індійський національний комітет космічних досліджень (INCOSPAR), який 1969-го перейменували на ISRO.

Першою серйозною метою новоствореного космічного агентства став запуск на орбіту власного супутника. Проте тоді, на початку 1970-х, Індія не мала подібного досвіду і лише почала розробляти SLV (Satellite Launch Vehicle) — малу ракету-носій для доставки супутників на орбіту. Річ у тім, що перша індійська мала ракета-носій Rohini RH-75, хоча й здійснила вдало 15 запусків поспіль з 1967 до 1968 року, однак максимальна висота, на яку вона могла злетіти, становила всього 50 км, чого було недостатньо для виведення супутника навіть на низьку навколоземну орбіту (LEO).

З огляду на ці обставини Індія була змушена просити одну із двох космічних держав допомогти запустити супутник. Зупинилися на СРСР — 1972 року ці дві країни уклали угоду про співтовариство в аерокосмічній сфері. В обмін на доступ до радянських ракет Індія зобов’язалася надавати місця у своїх портах для зупинок радянського флоту. Після підписання угоди ISRO розпочала будівництво свого першого супутника — Aryabhata, названого так на честь індійського астронома, що жив у V сторіччі н.е.

Головною метою космічної місії Aryabhata стали експерименти у рентгенівській астрономії та фізиці Сонця. Космічний апарат діаметром 1,4 м був повністю вкритий сонячними панелями для забезпечення безперебійної генерації електроенергії для живлення супутника.

19 квітня 1975 року з радянського космодрому поблизу містечка Капустин Яр Aryabhata вирушив у космічну мандрівку на ракеті-носії “Космос-3М”. Супутник без перешкод відстикувався від ракети, зайнявши своє місце на низькій навколоземній орбіті Землі на висоті ≈ 600 км. Однак марно було сподіватися, що перша місія новоствореної ISRO завершиться повним успіхом. Попри велику кількість сонячних панелей, вже на четверту добу роботи Aryabhata зазнав критичного збою в системі електроживлення. Заряду батарей зонда вистачило ще на добу функціонування, після чого супутник не відправив на Землю жодного сигналу, залишившись курсувати орбітою аж до лютого 1992 року, коли згорів у атмосфері Землі.

Утім, саме з Aryabhata стартувала незалежна супутникова промисловість Індії. Вже за п’ять років після прикрої невдачі ISRO почала запускати в космос перше власне супутникове сузір’я, яке мало складатися з чотирьох зондів Rohini Satellite (RS).

Перший експериментальний супутник під назвою Rohini Technology Payload (RTP) було запущено 10 серпня 1979 року з території головного майданчика Індії — Космічного центру Сатіша Дхавана, заснованого 1969 року спеціально під потреби космічних запусків. Попри вдалий старт і перші обнадійливі хвилини польоту, супутник RTP так і не дістався орбіти через несправність паливного клапана. Зрештою на 317-й секунді місії SLV-3 E1 упала у води Бенгальської затоки.

У тому ж, 1979 році СРСР допоміг Індії вивести на орбіту її першу пару супутників для дистанційного спостереження за Землею — Bhaskara I та Bhaskara IІ. Їхні дві ширококутні камери були спрямовані на дослідження океанів, спостереження за лісами та геологічними структурами. Місія тривала 10 років, після чого ISRO припинила обслуговувати супутники, запустивши їх знов у тестовому режимі тільки 1991 року.

Попри невдачу SLV-3 E1, було очевидно, що Індія впритул наблизилася до свого першого орбітального запуску за допомогою наступної версії SLV-3. Історична подія відбулася 18 липня 1980 року, коли ракета-носій все ж таки змогла доставити на орбіту супутник RS-1, зробивши Індію сьомою країною у світі, яка відтепер мала технічні можливості для власних орбітальних запусків.

Досягнувши орбіти, супутник RS-1 активував низку датчиків, серед яких були магнітометр, датчик температури, а також унікальний цифровий — для спостереження за Сонцем. Апарат проводив дослідження до 20 травня 1981 року, далі зійшов зі своєї орбіти та згорів у атмосфері Землі.

Упродовж наступних трьох років SLV-3 запускали ще двічі, востаннє — 1983 року, після чого ракета вийшла на заслужену пенсію. Індія нарешті позбулася залежності від інших космічних держав, повністю перебравши розвиток власної космічної програми на себе. 

Розвиток власного ракетного парку: поява PSLV

Разом із розробкою SLV-3 починається осмислення ідеї створення ракет більшої потужності і вантажопідйомності. У 1982 році ISRO втілює попередні напрацювання в конкретний проєкт PSLV (Polar Satellite Launch Vehicle) — чотирьохступеневу ракету середньої потужності для доставки супутників на сонячно-синхронну та полярну орбіти Землі.

Проте створення PSLV відбулося не так жваво, як у її попередниці, передусім тому що у ракети доволі складна чотирьохступенева архітектура, яка мала ідеально працювати під час космічного запуску. Відтак до моменту, як перша індійська ракета середньої вантажопідйомності почала виводити супутники на високі полярну та сонячно-синхронну (550 км) орбіти, минуло довгих 15 років.

Проєкт PSLV стартував 1978 року, коли до ISRO надійшло 35 пропозицій з технічним баченням майбутньої ракети. З них у 1980 році залишилося лише чотири проєкти, а остаточний вибір тривав два роки. Річ у архітектурному баченні щодо живлення останнього ступеня — переважно тоді пропонували використовувати тверде паливо, що було малоефективним у ближньому космічному просторі, адже кращими тут убачалися рідинні рушії.

З метою розробки нових типів кріогенних рушіїв ISRO створила Центр рідинних рухових систем — LPSC. Поява науково-дослідної установи для виробництва рідинних та кріогенних ракетних двигунів у місті Тіруванантапурам 1985 року зіграла вирішальну роль не тільки у розвитку PSLV, але й багатьох інших ракетних систем більшої потужності: GSLV (для запуску на геосинхронну орбіту), ASLV (для розширення можливостей запуску супутників) тощо.

Розвиток рідинних рушіїв, запропонованих LPSC, буквально перетворив ракету PSLV на листковий пиріг. Перший ступінь (PS1) — це основний бустер, який рухався твердопаливною силовою установкою S139, потужність якої доповнювала тяга шести бічних прискорювачів (у версії Core Alone (CA) бічні прискорювачі не використовувалися).

Другий ступінь ракети (PS2), зі свого боку, вже використовує рідинний двигун Vikas (розробка LPSC), здатний продукувати тягу 799 кН. Третій ступінь (PS3), який мав функціонувати лише 113 секунд, знову на твердому паливі. Його силова установка із тягою 250 кН працює на твердотільній паливній суміші полібутадієну з кінцевими гідроксильними групами (НТРВ). Фінальний етап польоту ракети здійснюють спарені кріогенні двигуни з регенеративним охолодженням, всього 7,3 кН потужності кожний, та плавною системою підрулювання, яка забезпечується шістьма мінідвигунами 50N RCS. 

20 вересня 1993 року перша модифікація сонячно-полярної PSLV-G злетіла у космос. То був відносно невдалий старт, з огляду на те що нормально відпрацювали тільки два перші ступені ракети, а під час відокремлення третього й четвертого сталася аварія, що призвела до втрати корисного навантаження місії. Країна опинилася за крок від того, щоб перетворитися на другого у світі комерційного постачальника послуг для запуску на дані типи орбіти — до виходу Індії на цей ринок можливості запускати супутники на орбіту в 1993 році мала лишень рф. 

У жовтні наступного, 1994 року PSLV-G виконала перший повністю успішний старт. Надалі ця модифікація ракети прослужила ще 22 роки, остаточно припинивши експлуатацію тільки у вересні 2016-го, після запуску місії PSLV-C35. Ця стандартна версія ракети могла запускати на сонячно-синхронну орбіту (SSO: 600+ км) 1678 кг корисного вантажу. Станом на сьогодні ISRO експлуатує сім інших модифікацій PSLV, кожна з яких призначена під власні специфічні потреби запусків. Основні це: 

• PSLV-C. Перший запуск — 23 квітня 2007 року. Модель без шести бічних прискорювачів. PS-1 для запуску використовує виключно тягу основної силової установки (S139). Дана модифікація витрачає менше палива, а також несе на 400 кг менше палива для четвертого ступеня. Втім, і не надто потужна, оскільки здатна доставляти на SSO космічні апарати вагою до 1100 кг.
• PSLV-XL. Перший запуск — 22 жовтня 2008 року. Більш потужний варіант стандартної PSLV-G, з подовженими бічними прискорювачами. Завдяки цьому допустиме корисне навантаження можна збільшити до 1750 кг на SSO. Дана модифікація ракети-носія дебютувала при запуску місячного посадкового модуля Chandrayaan 1, довівши, що подовжена конструкція допоміжних бустерів має перевагу під час запуску саме позаземних місій. 
• PSLV-DL. Перший запуск — 24 січня 2019 року. Версія ракети із двома навісними прискорювачами, розташованими на головному бустері разом із баком на 12 тонн палива. 
• PSLV-QL. Перший запуск — 1 квітня 2019 року. Версія ракети оснащена чотирма допоміжними прискорювачами на першому етапі. Своєрідна золота середина ракетних можливостей PSLV, здатна виводити 1523 кг на SSO.  

Попри більш ніж 30-річну історію експлуатації, ISRO не поспішає відправляти PSLV на пенсію. Успішна безперервна серія з 50 запусків поспіль значно зміцнила довіру до ракет агентства на глобальному ринку. 

Нещодавно оприлюднена нова модифікація ракети під назвою PSLV-3S наразі перебуває у розробці. Потужності ракети вистачатиме навіть для того, щоб запускати невелике корисне навантаження на віддалені геосинхронну та геостаціонарну орбіти Землі (GEO: 35 578+ км). Та все одно під потреби запуску більш серйозних космічних місій на GEO і далі ISRO потрібен надійніший транспорт. Таким чином з’явився концепт найпотужнішої на даний час ракети у арсеналі ISRO — трьохступеневої GSLV.

GSLV: шлях, який краще долати самотужки

Архітектура ракети передбачала наявність трьох ступенів, комбінованих за тим же принципом почергового використання різних типів маршових двигунів. Основний твердотільний бустер (CA) повністю запозичений з PSLV, проте чотири бічні прискорювачі на поверхні його фюзеляжу використовували вже рідинний двигун Vikas, під який було виділене додаткове місце на першому ступені. Другий ступінь ракети також майже цілком скопійований з PSLV, однак із більш потужними рідинними Vikas. То що ж тоді мало дозволити GSLV доставляти вантаж масою до 2,5 тонн на геосинхронну орбіту Землі?

За задумом, основною відмінністю мав бути третій ступінь ракети, який би живився рідинним двигуном, але зі значно більшою тягою, ніж у двигуна завершального ступеня PSLV. У ISRO і справді було дуже сучасне бачення своєї нової ракети, яке повністю співпадало з ракетними тенденціями того часу: прагнення до зменшення кількості ступенів, використання потужніших кріогенних рушіїв зі здатністю до підрулювання на останніх етапах польоту ракети.

На жаль, у цьому проєкті ISRO вирішила не покладати відповідальність за виробництво нового двигуна на Центр рідинних рухових систем, а придбати вже готове рішення на ринку. Найбільш доступний та дешевий варіант запропонували саме росіяни — так на третьому ступені GSLV Mark I (першій модифікації ракети) з’явився російський кріогенний двигун КВД-1М, який “роскосмос” використовував для своїх кріогенних ракет “Протон”. Саме “фактор КВД” у цьому проєкті фактично обнулив хоча б якісь шанси на успіх першої версії ракети Mark I.

Насправді космічна Індія мала своє вікно можливостей для розробки власних кріогенних двигунів по ліцензії ще у 1990-х. Тоді ISRO та “роскосмос” підписали угоду про обмін ракетними технологіями, тож прототип КВД-1М і багато інших технологій росіян могли потрапити у країну і стимулювати власну розробку ракетних компонентів у науково-дослідних центрах країни. Та на процес передачі вплинули США, які наклали санкції на обидва агентства, фактично унеможлививши цей варіант розвитку подій.

Одразу ж після першого невдалого старту GSLV Mk1 у 2001 році стало зрозуміло, що силова установка КВД-1М, яка розроблялася спеціально під важкі “Протони”, просто несумісна з GSLV — ракетою середнього класу вантажопідйомності. Через цю обставину із шести запусків ракети на геосинхронну орбіту всього два були успішними. Усі відмови та часткові відмови спричиняла невідповідність тяги, внаслідок чого космічні апарати потрапляли на неналежні орбіти. Більшість цих місій були комерційними, а значить, втрачалося коштовне космічне обладнання замовників, які потім уже не поспішали мати справу з Індією. ISRO усвідомила, що двигун для останнього ступеня ракети доведеться розробляти власними силами.

Шлях наодинці не був швидким — робоча версія нового кріогенного двигуна CE7.5 перебувала у розробці довгих 20 років. Першу успішну демонстрацію провели тільки у 2014-му. Працюючи на паливній суміші з рідкого кисню та рідкого водню (LOX/LH2), він був здатний забезпечити від 73,5-75 кН чистої тяги у стандартному режимі та 91,5 кН у режимі бусту. Розробка індусів вийшла навіть потужнішою за російський КВД-1М. З січня 2014-го, коли перший кріогенний верхній ступінь (CUS) було вдало випробувано на GSLV Mk2, ця модифікація ракети має вже шість успіхів поспіль, фактично рятуючи GSLV від провалу.

Кріогенний двигун CE7.5 одразу ж затвердили і для використання на третій модифікації GSLV Mark III, або LVM-3. Навіть зовні це був зовсім інший погляд на можливості, запропоновані новими типами кріогенних рушіїв — вони могли виводити на орбіту значно більше корисного вантажу. Усього представлено три основних модифікації GSLV: Mark I (оснащена двигуном КВД-1М на заключному ступені) Mark II (СЕ7.5 виробництва LPSC) та Mark III (також відома як LVM-3). 

LVM-3 стала найбільш потужною з дієвих ракет в арсеналі ISRO. До того ж мала значно менше спільного зі своїм попередником, Mark II. ЇЇ основний ступінь L110 рухають два рідинні двигуни Vikas, розроблені в LPSC. Тяга другого ступеню ракети доповнена можливостями двох твердопаливних бустерів S200, що використовуються на етапі старту і працюють на паливній суміші НТРВ (полібутадієн з кінцевими гідроксильними групами). Третій, кріогенний ступінь ракети оснащений рідинним двигуном СЕ20, який являє собою більш потужну версію СЕ7.5, встановленого на попередній генерації GSLV.

Попри те, що ракета LVM-3 належить до середнього класу, її переосмислена конструкція дозволяє носію виводити на GEO до 4 тонн корисного навантаження, та до 8 тонн — на LEO. Вражає і показник безвідмовності ракети, який наразі складає 100% (сім успіхів семи запусків). Серед клієнтів LVM-3, до прикладу, були британська OneWeb (72 супутники запущено під час двох запусків LVM-3), а також низка державних супутникових операторів (індійська серія супутників GSAT) та, звісно, місячний космічний корабель Chandrayaan 3, який минулого року здійснив першу вдалу м’яку посадку індійців на Місяць.

Отже, в історії першої ракети-носія, яку Індія хотіла використовувати саме для комерційних доставок на геосинхронну орбіту, все ж таки був свій урок. Він показав ISRO важливу необхідність розвитку парку кріогенних рушіїв — без цього кроку було просто неможливо сподіватись на домінування у міжпланетних місіях та на активне зростання парку власних супутників.

Фактично саме поява власних кріогенних рушіїв стала одним із ключових факторів, що зміцнив позиції Індії серед табору космічних держав світу. Нові двигуни дозволили країні доставляти на недосяжні раніше висоти орбіт власні супутники телекомунікації, навігації та спостереження, запуск яких раніше здійснювався сторонніми ракетами-носіями. За 10 років самостійності, які надали нові ракети, Індія наростила кошти, які будуть спрямовані на розвиток першої в історії країни екіпажної космічної програми.

Індійський LPSC став центром створення багатьох видів рідинних ракетних рушіїв, які використовують на четвертому ступені PSLV, супутниках, а також на версіях космічних кораблів та посадкових модулів, що з’явилися вже у XXI сторіччі. Ці рушії доправили Chandrayaan 3 на південний полюс Місяця, а зовсім скоро мають показати себе у першій пілотованій демонстрації космічного корабля Gaganyaan. Читайте про ці та багато інших космічних місій у наступній частині нашого матеріалу, присвяченого розвитку космічної програми ISRO за останнє десятиріччя.