На заре многоразовости, или Кто был раньше Илона Маска

Авторы ранней научной фантастики делали ставку на вертикальную посадку, более универсальную. Хотя крылья они тоже сохраняли, для маневрирования в атмосфере. Такой образ ракеты надолго стал символом научной фантастики 50-х и начала 60-х

Но со стартом космической гонки между СССР и США всё больше денег стало уходить напрямую на освоение космоса. Теперь ракетчикам уже можно было не адаптировать МБР под полёты в космос, а делать специализированные ракеты — значит, пришло время подумать и о многоразовости.

Существовало несколько подходов к этому вопросу. Самый простой и быстрый — просто чуть-чуть доработать уже существующие проекты и каким-то образом научиться спасать их ступени. На первый взгляд тут ничего сложного: поставил на ступень побольше парашютов и раскрыл их после её отделения.

Проект спасения ступени S-IC при помощи системы парашютов

Однако есть несколько «но»: ступень (даже с израсходованным запасом топлива) — штука тяжёлая и при этом достаточно хрупкая. Умудриться её мягко посадить, используя только парашюты, — дело нетривиальное. Потому искали и альтернативные решения. Например, можно спасать только двигатель — самую дорогую часть ступени. Он прочный и особых проблем при его посадке быть не должно. Правда, всё равно жалко оставшиеся части ракеты.

Чуть более необычный вариант — установить не просто парашют, а гигантский винт. Используя авторотацию, можно посадить ступень более плавно.

Проект спасения первой ступени тяжёлого ракетоносителя при помощи роторного парашюта

Был предложен и необычный проект — подхватить спускающуюся на парашютах ступень при помощи специального огромного вертолёта

Михаил Котов

К слову сказать, система подхвата парашюта пролетающим самолётом для спасения фотоплёнок с разведывательных спутников Keyhole была достаточно хорошо продумана и реализована. Но говорить об её эффективности сложно: слишком часто случались неудачи — с трудом полученные документы отправлялись «на корм рыбам».

После подхвата вертолёт мог спокойно и аккуратно доставить ступень на землю

Другое предложение — использовать дельтаплан для управляемой посадки. Но тогда надо ступени делать с шасси, что сильно усложняет конструкцию. В итоге схему с парашютами довели до ума только для достаточно прочных твердотопливных боковых ускорителей Space Shuttle.

Возврат ступени S-IC при помощи огромного дельтаплана

Крыло для ракеты

Но всё же все вышеперечисленные варианты были слишком рискованными из-за неконтролируемой или почти неконтролируемой посадки, а сэкономить на возврате ракеты очень хотелось.

У инженеров осталось два вариант обеспечить возврат ступени. Первый — оснастить её крыльями: после отделения полезной нагрузки ступень чуть снижалась и переходила в горизонтальный полёт. С установкой нескольких турбореактивных двигателей такой «самолёт» мог спокойно добраться до подходящего для него аэродрома.

Второй вариант — садиться на своих собственных ракетных движках вертикально, как это делали ракеты в научной фантастике 50‑х.

Выбор казался очевидным — обычный полёт отлично исследовали за долгие годы существования авиации, и никаких проблем с ним не предвиделось. Кроме того, этот метод можно было применить к уже существующим ракетам — просто оснастив их крыльями и турбореактивными двигателями.

Проект оснащения ступени S-IC собственным крылом для возврата на землю

А вот посадка «по-ракетному» было делом абсолютно новым. НАСА в этот же момент мучилась с лунным модулем — маленьким, простым и предназначенном для использования на Луне без атмосферы и с небольшой гравитацией. Повторить это с огромной ступени на Земле, на ракетных двигателях казалось слишком сложной задачей.

Михаил Котов

К слову, использование крыльев для возврата на Землю — это критикуемый, но постоянно возникающий вновь проект и в российской космонавтике. Основная причина, по которой ещё советские конструкторы думали об использовании крыла, а не посадки на собственный хвост, — расположение космодрома «Байконур». Если примерять запуски SpaceX, то в некоторых случаях ступень садилась бы где-нибудь в степи или в горах на Алтае, и что с ней потом делать там — решительно непонятно. Поэтому чаще всего конструкторы хотели заставить ступень «лететь домой»

Проект пилотируемой многоразовой ступени на основе конструкции S-IC. Разрабатывался на раннем этапе программы Space Shuttle

Вскоре оказалось, что выбор был не совсем верный. Крылья, их защита от нагрева, дополнительные двигатели, органы управления — всё это сжирало полезную массу на ракете, да ещё и на взлёте создавало дополнительное сопротивление. В итоге вся выгода от многоразовости пропадала. Проблему можно было решить, но для этого первую ступень изначально нужно было строить как ракетоплан, а не превращать в переделку уже существующей ракеты.

Именно эту концепцию положили в основу будущего Space Shuttle.

Михаил Котов

Если отвлечься от точного соответствия, то система Big Falcon Rocket (в связке из возвращаемой ступени Super Heavy и второй ступени, совмещённой с космическим кораблём Starship) имеет в своей основе схожую идею. Первая ступень применяется для первоначального разгона, а затем используется вторично. В случае со Space Shuttle твердотопливные ускорители спасались при помощи парашютов, и часть из них даже использовалась повторно. Сам же космический корабль/вторая ступень довыводит себя на орбиту, после чего возвращается из космоса и садится целиком. Вот только способы посадки тут тоже разные.

От фантастики к реальности

SASSTO (Saturn Application Single Stage to Orbit), проект многоразовой одноступенчатой ракеты на основе узлов ракеты Saturn V. Взлёт и посадка вертикальные

Но не все были согласны с тем, что будущее — за крылатыми машинами. Да, садиться вертикально сложно, но если научиться это делать, то полезная нагрузка значительно возрастёт.

В это же время набирала популярность идея многоразовых одноступенчатых ракет (Single stage to orbit, сокращённо SSTO). С эффективностью у них было чуть хуже, чем у многоступенчатых собратьев, но сделать их по-настоящему многоразовыми было куда проще.

Кроме того, чем больше была такая ракета, тем более эффективной она становилась. Некоторые проекты имели вес в десяток тысяч тонн, и использование крыла для них было просто невозможно. Оставалась лишь посадка «по-ракетному». Благо развивающиеся технологии делали её разработку уже не такой сложной задачей.

Пуск многоразовой одноступенчатой ракеты LEO со стартовой массой в 10305 тонн. Садиться эта ракета должна была вертикально — в специально подготовленное искусственное озеро диаметром в пять километров

Работы над SSTO шли все 70-е и 80-е годы, но лишь в 90-х, на фоне потери интереса к Space Shuttle, у технологии появился реальный шанс.

В 1994 году NASA объявило о старте программы RLV (Reusable Launch Vehicle). Главную ставку сделали на многоразовый одноступенчатый космоплан Venture Star от Lockheed Martin с вертикальным взлётом и горизонтальной посадкой. Но в качестве запасного варианта финансирование получил и проект McDonnell Douglas Delta Clipper с вертикальной посадкой на ракетных двигателях.

Михаил Котов

Можно сказать, что Venture Star в какой-то мере опередил своё время. Для его вывода на орбиту предполагалось использовать клиновоздушные двигатели. Это такой тип жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) с клиновидным соплом, который поддерживает аэродинамическую эффективность в широком диапазоне высот. Во многом именно сложности с их созданием и застопорили всю разработку.

Различные проекты SSTO, представленные в рамках программы RLV. Слева направо: Rockwell, McDonnell Douglas, Lockheed Martin

Сравнение размеров Х-33, Venture Star и Space Shuttle

Обе фирмы должны были построить уменьшенные версии своих космолётов для испытаний. Работы над Х-33 от LockheedMartin серьёзно затянулись, а вот DC-X/А от McDonnell Douglas построили быстро, и уже в 1995 году он вышел на испытания, а в 1996-м впервые совершил вертикальную посадку. Но в NASA считали такую схему тупиковой и верили, что будущее за крылатым SSTO.

Финансирование Delta Clipper прекратили, объяснив это повреждением прототипа при посадке и невозможностью безопасной вертикальной посадки в земных условиях. Надо ли говорить, что проект Venture Star тоже закончился ничем, и в 2001 году программу RLV закрыли.

Многоразовая одноступенчатая ракета с вертикальным взлётом и посадкой McDonnell Douglas Delta Clipper

https://youtu.be/o2sHf-udJI8

Видео испытаний прототипа DC-X/А.

Но успех испытаний Delta Clipper доказал, что посадка «по-ракетному» — не такая уж и недостижимая задача. В следующее десятилетие многие фирмы и космические агентства сделали ставку на такую схему. А в наше время сразу двум «частникам» (что примечательно) удалось решить эту задачу на своих ракетах.

Если у Blue Origin пока летает только суборбитальная многоразовая ракета New Shepard, а полноценная New Glenn только разрабатывается, то у SpaceX посадка «по-ракетному» доведена до ума для орбитальной Falcon 9 и тяжёлой Falcon Heavy. Обе фирмы отказались от сложной задачи создать SSTO и пока способны возвращать только первые ступени, но в будущем планируется сделать многоразовой и вторую ступень на проектах BFR и New Armstrong.

Возможный внешний вид двухступенчатой, полностью многоразовой ракеты SpaceX BFR

Вот так посадка «по-ракетному» прошла путь от фантастической идеи к серийному использованию. Что будет дальше и кто всё же победит в противостоянии крыла и вертикальной посадки, покажет лишь время.

источник: https://warhead.su/2020/01/23/na-zare-mnogorazovosti-ili-kto-byl-ranshe-ilona-maska