Необходимость повторного использования ракетной техники считается одним из основных способов снижения расходов на доступ в космос. Однако до сих пор результаты эксплуатации единственной реализованной многоразовой транспортной системы Space Shuttle повода для оптимизма не давали: стоимость разработки и эксплуатации повторно используемого корабля в пересчете на килограмм выводимого груза оказались выше, чем у равных по грузоподъемности одноразовых ракет-носителей.
Среди основных причин неудачи шаттлов называют снижение грузопотока на орбиту и назад по сравнению с проектными ожиданиями (3-4 полета в год в реальности против 24 по техническому заданию). Эксплуатация техники, созданной на основе решений 1970-х гг., к началу XXI века оказалась слишком хлопотной и неоптимальной, а затраты на межполетное обслуживание, вытекающие из этих решений – чрезмерными. В результате Space Shuttle ушел в историю, а идея многоразовости ракетных систем – нет. Только решать эту проблему теперь планируется по-иному.
Тактика нового «рыцаря многоразовости» – Илона Маска – базируется на нескольких положениях. По его мнению, до 70% стоимости пуска классической ракеты-носителя приходится на первую ступень, и «спасти» ее проще, чем остальные компоненты. Поскольку первая ступень отделяется при скоростях, соответствующих числам М=6–10, для ее защиты от тепловых потоков при возвращении в атмосферу в ряде случаев можно обойтись без экзотических технологий и дорогостоящих материалов. Спасать вторую ступень, вносящую в стоимость пуска не более трети, надо как минимум с околокруговой орбиты, что на порядок сложнее и дороже. На данном этапе, по мнению Маска, с этим можно подождать. Из таких соображений и родилась концепция частично многоразовой ракеты-носителя.
Как спасать ракетную ступень? Прежде всего, нужно дать ей «пережить» вход в атмосферу после возвращения из баллистического полета. Во-вторых, ее нужно мягко опустить на Землю. Если отбросить экзотику типа роторной посадки, наиболее проработанными представляются три способа: парашютный, по-самолетному (с помощью крыла) и вертикальное реактивное приземление. Каждому способу присущи достоинства и недостатки.
Парашют прост и весит мало, но его площадь прямо пропорциональна спасаемой массе и конечной скорости приземления, поэтому для первых ступеней больших ракет оказывается крайне велика. Вследствие невысокой точности парашютная посадка для американских ракет практически неизбежно приходится в океан. Приводнение для тонкостенных ступеней и жидкостных ракетных двигателей крайне нежелательно из-за проблем с коррозией под воздействием морского воздуха и соленой воды. Кроме того, спасенную ступень надо еще как-то доставить к месту повторного старта.
«Самолетный» способ обеспечивает точную посадку (например, на аэродром на острове вдоль трассы выведения ракеты), приемлемые механические и тепловые нагрузки. Но крыло, шасси и оперение не только дорого стоят (пример – Space Shuttle) – это дополнительная инертная масса, которая не помогает при выведении на орбиту и «съедает» львиную долю полезной нагрузки.
Маск изначально заявил, что «крыльям в космосе не место». При попытках спасения первых ступеней легкой ракеты-носителя Falcon 1 (2006–2009 гг.) разочаровался он и в парашюте. В результате, ставка была сделана на реактивную посадку.
Идея эта не нова: еще в начале 1960‑х компания Douglas предлагала одноступенчатый орбитальный носитель вертикального взлета и посадки многократного использования на базе технологий ракеты Saturn 5. Технически вертикальная посадка на маршевых ракетных двигателях была опробована два десятилетия назад в многоразовом демонстраторе DC-X (Delta Clipper Experimental Vehicle): в 1993–1996 гг. аппарат совершил 11 экспериментальных полетов, в ходе которых взлетал, зависал в воздухе, перемещался и маневрировал, а затем совершал реактивное приземление.
Компания SpaceX начала отработку данной техники на своем полигоне в Макгрегоре (шт. Техас), где в 2012–2013 гг. выполнил 8 полетов полномасштабный демонстратор Grasshopper («Кузнечик»), имитирующий первую ступень ракеты Falcon 9. Имея всего один двигатель и примитивное посадочное устройство, он взлетал и совершал вертикальную посадку. Пришедший ему на смену F9R-Dev1 был построен на базе стендовой первой ступени Falcon 9 v1.1, оснащался уже тремя двигателями и четырьмя раскрывающимися посадочными опорами. В апреле–августе 2014 г. он четырежды стартовал успешно, отрабатывая зависание и маневрирование и поднимаясь на высоту 1000 м. Пятый полет 22 августа 2014 г. завершился аварией: из-за сбоя системы управления наследник «Кузнечика» стал уходить из дозволенной зоны и был уничтожен в воздухе системой аварийного подрыва по команде с земли.
В дальнейшем мягкая посадка отрабатывалась в «штатных» миссиях. После выведения полезных грузов на орбиту первая ступень ракеты Falcon 9 совершала либо имитационное приводнение, либо реальное приземление на палубу специально оборудованного автономного судна ASDS (Autonomous Spaceport Drone Ship), оснащенного подруливающими моторами, которые обеспечивали точное позиционирование в океане, в т. ч. при плохой погоде.
Ракетчики Илона Маска дважды пытались посадить ракету на такую баржу. В первый раз, 10 января 2015 г., ступень села слишком жестко (был исчерпан запас гидравлической жидкости системы управления аэродинамическими рулями) и взорвалась. Вторая попытка, 14 апреля 2015 г., снова прошла не так гладко, как хотелось: из-за избытка боковой скорости ступень сломала две посадочные «ноги» и опрокинулась. Оба случая признавались частично успешными (в реальности – неудачными), и судно ASDS доставляло в порт лишь жалкие обломки ступени...
При запуске 22 декабря 2015 г. было решено приземлить первую ступень на сушу, в посадочной зоне LZ-1 (Landing Zone 1), специально оборудованной примерно в 10 км от места старта на мысе Канаверал (шт. Флорида, восточное побережье США).
С точки зрения энергетики ракеты посадка с возвращением к месту старта крайне невыгодна: после выполнения основной задачи выведения первой ступени приходится полностью гасить горизонтальную составляющую скорости (более 1 км/с), а затем фактически лететь по баллистической траектории назад. Однако при этом резко упрощаются процедуры перемещения приземлившегося изделия к месту повторного запуска или проведения ремонтно-восстановительных работ. Да и совершить посадку на устойчивую земляную или бетонированную площадку на суше проще, чем на покачивающуюся палубу судна в океане. Тем не менее, от посадки в океан (на плавучую платформу или остров по трассе выведения) не уйти – иначе невозможно минимизировать потери массы полезной нагрузки.
В этот раз задачу упрощало то, что ракета несла в космос 11 спутников Orbcomm OG2 общей массой чуть более 2 т (при штатной грузоподъемности свыше 13 т), и траекторию выведения на орбиту высотой свыше 600 км можно было сделать достаточно крутой, чтобы первая ступень не улетала слишком далеко от места пуска.
Старт и полет носителя прошли рутинно – все спутники оказались на орбите, близкой к расчетной. Но, естественно, публика (да и специалисты) ждала именно посадки. Ступень отработала примерно 145 с и отделилась на высоте 74,6 км при скорости 1,67 км/с. Поднимаясь в пассивном полете, она развернулась хвостом вперед и через 3 мин 50 с после старта повторно включила три из девяти маршевых двигателей. Проработав 30 с, они сформировали траекторию возвращения. Второе включение продолжительностью 28 с последовало примерно через 8 мин 12 с после старта, обеспечив снижение скорости (а, значит, и тепловых потоков) при входе ступени в плотную атмосферу.
Последнее включение длительностью около 32 с выполнил центральный двигатель непосредственно перед посадкой, примерно через 10 мин после старта ракеты. Ступень садилась в темноте, в клубах дыма. Лишь когда он рассеялся, публике предстало огромное 42-метровой высоты изделие, вертикально стоящее на своих опорах. Приблизившись к нему, обслуживающая команда убедилась, что приземление произошло в считанных метрах от центра посадочной площадки. Это был триумф!
По горячим следам команда Илона Маска решила закрепить декабрьский успех: 17 января 2016 г. с космодрома на авиабазе Ванденберг (шт. Калифорния, западное побережье США) запускался исследовательский спутник Jason 3. Власти штата не дали разрешения на пролет ступени через природоохранную зону на суше, поэтому было решено сажать первую ступень ракеты на палубу ASDS. Выведение на орбиту было успешным, а посадка удалась... почти.
После разделения первая ступень ушла от пламени двигателя второй ступени, затем развернулась хвостом вперед и выдала короткий тормозной импульс, который начался через 4 мин 30 с после старта. Снова работали три двигателя из девяти. Второе включение длительностью 25 с состоялось после того, как ступень снизилась до высоты 70 км. В третьем импульсе, через 8,5 мин после старта, был задействован только центральный двигатель – он обеспечивал окончательное торможение и мягкую посадку ступени на палубу баржи.
Кадры видеоролика, выложенные SpaceX, показали почти идеальный подход. Когда ступень опустилась на судно, казалось, успех достигнут. Но не тут-то было: сразу после касания ступень начала заваливаться набок (было видно, как подломилась одна из опор), рухнула и взорвалась.
Несмотря на январскую неудачу, очевидно, что технические проблемы реактивной посадки на палубу баржи будут вскоре решены. Гораздо больше сомнений – в экономической целесообразности повторного использования ракетной матчасти. Маск утверждает, что в идеале первая ступень попадет на Землю в целости и сохранности, и затраты на запуск сведутся лишь к стоимости ее заправки (и, конечно, к изготовлению новой второй ступени). Звучит заманчиво, но что будет в реальности?
Затраты на обеспечение пусков транспортных ракетно-космических систем складываются из стоимости разработки, производства и эксплуатации. В случае повторного использования из них вычитается цена одноразовых элементов, которые заменяются многоразовыми, но добавляется стоимость ремонтно-восстановительных и регламентных работ. Последние необходимы, поскольку у многоразовых систем – в отличие от одноразовых – из-за расходования ресурса от пуска к пуску надежность снижается. Именно затраты на ремонт, восстановление и подготовку к следующему пуску являются той самой неопределенной переменной в экономике многоразовости.
Глава компании SpaceX оценивает затраты на ремонтно-восстановительные работы всего лишь в 1% от стоимости пуска (в общем-то, не такие уж маленькие цифры, учитывая, что запуск полезной нагрузки с помощью ракеты Falcon 9 обходится заказчику в 60 млн долл. и выше). Однако эти оценки нуждаются в практическом доказательстве. Для обеспечения повторного использования нужны серьезные вложения в ремонтную инфраструктуру и склады запчастей. Проблемой может стать подготовка двигателей: их необходимо полностью очистить от сажи и коксовых отложений. Поэтому, с точки зрения ряда специалистов, расчеты Маска выглядят слишком оптимистичными.
Кроме того, как показывает опыт, повторное использование матчасти окупается лишь при большой частоте пусков. Например, в 1960-х гг. пришествие многоразовых транспортных ракетно-космических систем ожидалось на фоне прогнозов о росте числа запусков до 200 в год только в одних Соединенных Штатах! Как известно, эти предположения не подтвердились.
Несомненно, нынешние достижения делают честь главе и инженерному персоналу SpaceX: в конце концов, именно им удалось впервые в мире вернуть и мягко посадить ракетную ступень немалых габаритов после реального космического запуска. Однако экономическую эффективность повторного использования материальной части ракеты еще предстоит доказать на практике.
Печатная версия материала опубликована в журнале "Взлёт" № 3/2016
