Многоразовые ракеты: кто, где и зачем их разрабатывает

Первый проект многоразовой ракеты-носителя появился еще в 1952 году. Его разработал известный немецкий конструктор Вернер фон Браун, которого американцы после войны вывезли из Германии в США вместе с командой инженеров. Предполагалось, что будет создан настоящий монстр весом 6 400 тонн (для сравнения, стартовый вес самой тяжёлой ракеты-носителя в истории американской Saturn V — 3 000 тонн) с размахом крыльев 48 метров на третьей ступени при высоте всего 23 метра. Полезная нагрузка, однако, не превышала 25 тонн — в двести с лишним раз больше должно было весить высокотоксичное топливо из тетраоксида диазота и гидразина. В задачи Ferry Rocket — именно так назвал свой проект фон Браун — входило строительство орбитальной станции в форме бублика с искусственной гравитацией.  

Так должна была выглядеть Ferry Rocket Вернера фон Брауна Изображение: © Collier's

По замыслу конструктора, самая массивная первая ступень (она весила 700 тонн без топлива) спускалась на огромном парашюте из стальной сетки, а на высоте около 50 метров включались маломощные двигатели, которые обеспечивали мягкое приземление в океан. Там её должно было подбирать судно-платформа, «подныривавшее» под плавающую конструкцию. Схожим образом возвращалась и вторая ступень, а крылатая третья самостоятельно садилась на аэродром.  

Стоимость проекта оценивали в 4 млрд долларов (сегодня это было бы почти 48 млрд), и таких денег на реализацию фантазий немцу никто в администрации США давать не собирался. В итоге фон Браун сконструировал одноразовую сверхтяжёлую ракету-носитель Saturn V, которая благополучно доставила американцев на Луну. 

Первой частично многоразовой системой в истории стал шаттл «Колумбия», совершивший свой второй полёт 12 ноября 1981 года (первый состоялся 12 апреля того же года). Космический челнок с двумя астронавтами на борту пробыл на орбите чуть больше двух суток, что сделало эту экспедицию самой короткой в истории всей программы. 

«Колумбия» стала первым из пяти орбитальных кораблей системы Space Shuttle Фото: © NASA

Однако полностью многоразовыми были лишь сам орбитальный корабль, рассчитанный на 100 полётов, и два твёрдотопливных ускорителя, которые после выполнения задачи по обеспечению тяги отсоединялись и спускались на парашютах на землю. А вот от планов вылавливать из моря внешний топливный бак, который, к слову, составлял почти треть общей массы системы (765 тонн из 2030), конструкторы в итоге отказались. После отработки топлива он отделялся и сгорал в атмосфере. 

Программа Space Shuttle просуществовала 30 лет — до 2011 года. Система стала самой ненадёжной в истории пилотируемой космонавтики — в авариях шаттлов «Челленджер» и «Колумбия» погибли 14 астронавтов. Это больше, чем во всех остальных катастрофах космических кораблей, вместе взятых. 

«Энергия» — «Буран»

Советская система так и не стала официально многоразовой, поскольку совершила всего один полёт 15 ноября 1988 года, но создавалась с расчётом на многократное использование. Возвращать на Землю планировали сам ракетоплан «Буран» и четыре боковых ускорителя первой ступени ракеты-носителя «Энергия», а центральный блок — он же внешний топливный бак — и двигательные элементы второй ступени оставались одноразовыми.    

#космос #СССР

«Буран» полетит вновь — виртуально

Читать

Сегодня многоразовые ракеты разрабатывают не только в нашей стране и США. В космической гонке также участвуют Европа и сразу несколько представителей Азии. Расскажем обо всех по порядку.

Соединённые Штаты

Новое слово в создании частично многоразовых ракет-носителей сказала компания SpaceX. В 2010 году американские инженеры во главе с Илоном Маском после отработки технологий на одноразовой Falcon 1 успешно запустили более тяжёлую Falcon 9 с возвращаемой первой ступенью. Пусть и не сразу, но конструкторы научились благополучно сажать её на Землю и морские платформы. Сегодня это самая востребованная космическая система в мире — в 2024 году прошло 132 запуска, что больше, чем у всех остальных игроков на рынке, вместе взятых. Для сравнения, Роскосмос за тот же период совершил 17 стартов, а шаттлы за все три десятилетия существования программы взлетали 135 раз.

Cхема посадки первой ступени ракеты-носителя Falcon 9 Изображение: © Яна Алябьева / «Сириус(Журнал» / Jon Ross

Компания Илона Маска добилась главного — радикально снизила стоимость вывода полезной нагрузки на орбиту. Для разных заказчиков цена может варьироваться, однако один запуск Falcon 9 в 2024 году оценивали в 15 млн долларов, тогда как каждая миссия шаттла обходилась NASA примерно в 1,5 млрд. При этом масса полезной нагрузки челноков для вывода на низкую околоземную орбиту (НОО) не превышала 24,4 тонны, а «сокол» может взять на борт 17,4 тонны с возвращением первой ступени и 22,8 тонны — без. Базовая стоимость запуска российской ракеты-носителя «Союз-2.1», считающейся бюджетной, оценивают в 48,5 млн долларов. 

SpaceX также спроектировала и успешно запустила в 2018 году ракету-носитель сверхтяжёлого класса Falcon Heavy. По сути, она состоит из трёх соединённых вместе первых ступеней Falcon 9. На данный момент Маск провёл 11 успешных пусков этого гиганта, вернув на Землю в целости 21 первую ступень. «Тяжёлый сокол» способен вывести на НОО более 63 тонн полезной нагрузки, свыше 16 тонн доставить на Марс и 3,5 тонны — на Плутон. 

На достигнутом Илон Маск не остановился и теперь с переменным успехом тестирует полностью многоразовую сверхтяжёлую космическую систему Starship (возможность нести до 150 тонн с возвращением и до 250 тонн без оного сделает её самой тяжёлой в истории). Возвращать на Землю планируется как сам одноимённый корабль, который выступает в роли второй ступени всей системы, так и ракетный ускоритель Super Heavy. Летом прошлого года во время четвёртого испытательного полёта ускоритель успешно посадили на воду, а следующий запуск завершился приземлением на стартовую площадку, где первую ступень поймали манипуляторы комплекса Mechazilla. Уже в следующем году Маск планирует отправить Starship — и, возможно, даже не один — на Марс. 

Многоразовые спутники

Валлийская компания Space Forge создаёт первое космическое производство критически важных полупроводниковых материалов. Отсутствие на орбите гравитации позволяет уйти от дефектов, неизбежных на Земле. Для этого разработана система возврата спутника на базу. Теплозащитный экран из высокотемпературного сплава раскрывается на орбите и защищает спутник ForgeStar от сгорания в плотных слоях атмосферы при возвращении. Приводнять аппарат планируют на специальную платформу. По задумке, на Земле вернувшийся спутник подлатают и повторно запустят в космос. 

Переоценить вклад SpaceX в развитие многоразовых ракет-носителей трудно. Компания наглядно продемонстрировала, что это не просто возможно, но и крайне выгодно. Возвращаемые первая ступень и головной обтекатель позволяют снизить общие затраты на пуск на 30–40 %.

Пока серьёзных конкурентов у Falcon 9 нет. Ближайший из них — частично многоразовая ракета среднего класса Neutron от американо-новозеландской компании Rocket Lab совершит первый полёт в этом году. По итогам испытаний ожидается мягкая посадка первой ступени на плавучую платформу. Ранее Rocket Lab модернизировала одноразовую сверхлёгкую ракету-носитель Electron, что позволило приводнять на парашютах её первую ступень в океан.

Ракета-носитель Neutron доставляет полезную нагрузку на орбиту в представлении художника Изображение: © Rocket Lab

Другой игрок на рынке — компания Blue Origin, которая с 2012 года разрабатывает двухступенчатую ракету-носитель New Glenn на метан-кислороде. Во время первого испытательного полёта в январе этого года она достигла орбиты, но первая ступень с оригинальным названием So You’re Telling Me There’s A Chance («Значит, шанс есть, говоришь») не смогла сесть на платформу в Атлантическом океане. 

А компания Relativity Space восемь лет создаёт полностью многоразовую двуступенчатую ракету-носитель тяжёлого класса Terran R. Главная её особенность в том, что все детали печатают на 3D-принтере. На низкую околоземную орбиту она сможет доставлять до 20 тонн полезной нагрузки. Первый полёт запланирован на 2026 год.  

Китай

Серьёзный потенциал показывают китайские компании, которые во многом копируют подход SpaceX. Так, iSpace ещё в ноябре 2023 года успешно посадила испытательный образец Hyperbola-2Y многоразовой ступени перспективной ракеты. А Deep Blue Aerospace прошлой осенью почти приземлила первую ступень ракеты-носителя Nebula-1 — та зависла над местом посадки, но в последний момент отказали двигатели.

Всего на 300 метров поднялась в воздух ракета RLV-T5 производства Linkspace в 2019 году, зато успешно села. А государственная компания SAST в январе провела испытательный запуск ступени Longxing-2, которую планируют использовать для частично многоразовой ракеты-носителя Long March 12A. Правда, удалось или нет благополучно посадить ускоритель с высоты 75 км, неизвестно. Вообще, космическая отрасль в КНР развивается семимильными шагами. В частности, стартап LandSpace первым в мире отправил на орбиту ракету на жидких метане и кислороде — Zhuque-2.

В январе прошлого года LandSpace успешно испытала возвращение первой ступени многоразовой ракеты-носителя Zhuque-3 Фото: © Landspace

Россия

В нашей стране также ведут разработки многоразовых или частично многоразовых ракет-носителей. Государственный ракетный центр имени академика В. П. Макеева совместно с другими предприятиями Роскосмоса создаёт лёгкую одноступенчатую возвращаемую «Корону». У неё сложная история, которая началась ещё в 1992 году, а через 20 лет прервалась из-за отсутствия финансирования. Деньги на этот проект в итоге нашлись, и прошлой весной стало известно, что на космодроме Восточный для «Короны» подготовят необходимую инфраструктуру. 

В марте 2023 года ракетный космический центр «Прогресс» подписал контракт на создание перспективного комплекса «Амур-СПГ» (он же «Союз-7»). Двухступенчатая ракета-носитель среднего класса создаётся в одноразовом и частично многоразовом (возвращение первой ступени) исполнениях. В качестве топлива будут использованы сжиженный природный газ и жидкий кислород. Лётные испытания намечены на следующий год. Кроме того, ведется работа над сверхлёгкими многоразовыми носителями. Также обсуждается создание «Ангары-А5ВМ» —модификации одноразовой тяжёлой ракеты-носителя — с возвращаемыми первой и второй ступенями из трёх. 

В направлении многоразовости смотрит и частная отечественная космонавтика. Компания SR Space проектирует сразу две таких ракеты космического назначения: сверхлёгкую «Небо» и лёгкую «Космос». Обе создают с возвращаемой первой ступенью. В середине февраля SR Space успешно завершила вторые огневые испытания камеры сгорания кислородно-метанового двигателя РД-1 с доработанной конструкцией и улучшенной системой охлаждения, а также протестировала новую форсуночную головку.

Компьютерная визуализация частично многоразовых ракет-носителей «Небо» и «Космос» Изображение: © SR Space

«Сжиженный природный газ (с молярной долей метана более 99 %) в качестве горючего выбран по нескольким причинам. Это перспективное топливо, тенденция к применению которого наблюдается по всему миру. В паре с жидким кислородом у него больший удельный импульс по сравнению с парой керосин — кислород. Меньшее содержание сажи в продуктах сгорания, чем у той же пары, упрощает обслуживание и повторное использование ЖРД», — объясняет генеральный конструктор компании SR Rockets (входит в холдинг SR Space) Сергей Логай. 

Кроме того, СПГ дешевле и доступнее керосина, а информация о термодинамических свойствах метана в необходимых диапазонах температуры и давления есть в открытом доступе, в отличие от керосина и тем более РГ-1, а это довольно принципиальное ограничение именно для частного ракетного проекта, добавляет Сергей Логай.

Индия

Прошлым летом Индийская организация космических исследований (ISRO) успешно завершила финальные испытания автономной посадки прототипа крылатой ступени будущей многоразовой ракеты RLV-TD. Вертолёт сбросил его с высоты 4,5 км, после чего автоматика скорректировала траекторию, как если бы объект возвращался из космоса. В итоге он зашёл на посадку и выпустил тормозной парашют после касания взлётной полосы на полигоне в Чаллакере. RLV — это, по сути, космический самолёт с низким отношением подъёмной силы к лобовому сопротивлению, требующий захода на посадку под большими углами скольжения на скорости до 350 км/ч, отмечают в IRSO. 

Индия намерена сажать свои многоразовые ракеты на аэродром Фото: © Indian Space Research Organisation

Южная Корея

В конце февраля стало известно, что Корейское аэрокосмическое агентство (KASA) меняет стратегию и переходит от разработки одноразовых ракет-носителей к многоразовым. Произошло это всего спустя год после утверждения плана по созданию к 2032 году новой системы, которая должна была превзойти по мощности и технологическому уровню действующую KSLV-II. В Сеуле тоже не скрывают, что ориентируются на успехи SpaceX. Глава KASA Юн Ён Бин убеждён, что только многоразовые ракеты-носители позволят корейцам конкурировать на глобальном уровне. Первые испытания прототипа нового многоразового ракетного двигателя запланированы на 2028 год, а тестовый полёт с демонстрацией повторного использования первой ступени — четырьмя годами позже. 

Компьютерная визуализация ракеты Blue Whale 1 Изображение: © Perigee

Кроме того, частная южнокорейская компания Perigee Aerospace разрабатывает двухступенчатую частично многоразовую ракету Blue Whale 1, которая сможет выводит на солнечно-синхронную орбиту до 170 кг полезной нагрузки. В качестве топлива конструкторы используют пару метан — кислород. Программа лётных испытаний намечена на первую половину этого года, а коммерческие полёты должны начаться уже в следующем. Корейцы обещают, что общая стоимость запуска «Синего кита 1» обойдется всего в 3 млн долларов, что сделает его самой доступной ракетой-носителем в мире. В качестве стартовых площадок планируют использовать морскую платформу у острова Чеджудо и шведский ракетный полигон Эсрейндж. 

Европа

В октябре прошлого года Европейское космическое агентство (ЕSА) выбрало четыре компании для создания многоразовых ракет: Rocket Factory Augsburg (RFA), The Exploration Company, ArianeGroup и Isar Aerospace. Для этого реализуют два проекта: THRUST! и BEST!. Первый направлен на разработку многоразовых жидкостных двигателей, этим займутся RFA и The Exploration Company. А две другие компании сосредоточатся на втором — создании ракетного двигателя большой тяги. Примечательно, что незадолго до решения ЕSА в Rocket Factory Augsburg признали тотальное отставание Европы от SpaceX на фоне успешных лётных испытаний Starship. 

Япония

О планах Токио по созданию многоразовых систем стало известно в 2021 году. Японцы также ориентируются на успехи SpaceX и планируют использовать схожие технологии для посадки первой ступени на плавучую морскую платформу. К разработке привлекли порядка 30 организаций, включая крупнейшую компанию в области тяжёлой промышленности Mitsubishi Heavy Industries и второго по величине национального авиаперевозчика ANA Holdings. Предположительно ракета-носитель будет работать на метане или водороде. Первые запуски запланированы на начало 2030-х.