На подступах к многоразовости: об экспериментах Маска по возвращению на Землю ракетных ступеней

фото: SpaceX фото: SpaceX

05 февраля 2016

22 декабря 2015 г. в ходе запуска низкоорбитальных спутников связи Orbcomm OG2 американской частной компании SpaceX Илона Маска удалось впервые успешно реализовать идею возвращения на Землю и мягкой посадки первой ступени ракеты-носителя Falcon 9FT для ее повторного использования. Тем самым на пути к созданию многоразовых транспортных ракетно-космических систем был сделан очередной важный шаг. Стоит заметить, что первые две попытки управляемой посадки стартовой ступени «фалькона» на специальное судно в море в январе и апреле 2015 г. завершились неудачно. Не удалось Маску закрепить декабрьский успех и в январе этого года: посадка на баржу опять окончилась разочарованием. Но глава SpaceX не теряет оптимизма и упорно продолжает развивать свою идею превращения ракетной системы Falcon 9 в многоразовую.

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

 

12

№11-12/2017 
ноябрь-декабрь

 MC‑21 прибыл в Подмосковье
• ТВ7-117СТ на летных испытаниях
• «Азимут» приступил к полетам
• МиГ-29 в Сербии
• Новое поколение авианосцев США
 X-37B: миссии секретного космоплана
 «ВИМ-авиа»: конец истории?
 Беспилотники на «Армии-2017»

В продаже с 24 ноября

где купить?


separator

Интервью

22 августа 2017

«Космическая» оптика приходит в авиацию.…

Новые российские истребители поколения «4++» МиГ‑35, МиГ‑29М/М2, МиГ‑29К/КУБ и Су‑35 комплектуются обзорно-прицельными и оборонительными оптико-электронными системами, разработанными Научно-производственной корпорацией «Системы прецизионного…
14 августа 2017

Марк Сорель: «Мы не занимается политикой,…

В настоящее время в коммерческой эксплуатации в авиакомпаниях России и ряда зарубежных стран находится уже около сотни российских региональных самолетов Sukhoi Superjet 100. Все они оснащаются двигателями SaM146 разработки и производства PowerJet,…
19 июля 2017

Фарнборо: впереди еще год

До начала Farnborough International Airshow 2018 еще целый год, однако подготовка к выставке идет полным ходом, в разгаре – модернизация выставочного комплекса. О том, чем будет отличаться следующий авиасалон в Фарнборо от предыдущих, об особенностях…
18 июля 2017

Авиашоу в Бахрейне: перспективы развития

До выставки Bahrain International Airshow 2018 остается еще больше года, однако приготовления к ней идут полным ходом. Министр транспорта и телекоммуникаций Бахрейна Его Высочество Камаль ибн Ахмед Мохаммед рассказывает о подготовке к BIAS 2018 и планах…
18 июля 2017

Валерий Кроль: у Safran хорошее будущее в…

Один из традиционных зарубежных участников всех авиасалонов МАКС – французская группа компаний Safran. Предприятия Safran участвуют в разработке и производстве двигателей SaM146 для российских самолетов Sukhoi Superjet 100, поставляют двигатели для…


separator

Обзоры

БЛА «Форпост» и «Орлан-10» (под потолком) в экспозиции «сирийского» павильона на Международном военно-техническом форуме «Армия-2017» Фото: Владимир Замятин
01 сентября 2017

«Армейские» беспилотники: БЛА российских…

На прошедшем в конце августа этого года в Конгрессно-выставочном центре «Патриот» в подмосковной Кубинке Международном военно-техническом форуме «Армия‑2017» особый интерес вызвала натурная экспозиция Управления строительства и развития системы…
Новым российским оператором самолетов SSJ100 должна стать авиакомпания «Азимут», планирующая организовать на них региональные рейсы по югу России. Первый самолет для еще не начавшего операционную деятельность «Азимута» прибыл в аэропорт Ростова-на-Дону 7 июля 2017 г. Фото: Эрик Романенко
13 июля 2017

«Регионалы» в российском небе – 2017

Развитие региональных авиаперевозок в России медленно, но неуклонно набирает обороты, хотя они по-прежнему остаются одним из слабых сегментов отрасли. Постепенно обновляется и отечественный парк «регионалов»: на текущий момент в нашей стране коммерческие…
Стартовым эксплуатантом новейших самолетов Bombardier CS300  в декабре 2016 г. стала латвийская авиакомпания airBaltic. Фото: Инал Хаев
13 июля 2017

Битва «регионалов» 2017

Минувший год оказался достаточно успешным для коммерческой авиационной отрасли как с точки зрения роста общемирового пассажиропотока (он вырос в годовом выражении по сравнению с предыдущим периодом на 6,3%), так и работы производителей коммерческих…
Медицинский «Ансат», переданный в октябре 2016 г. Республиканской клинической больнице Минздрава Татарстана в Казани. Фото: «Вертолеты России»
29 мая 2017

Вертолетная «неотложка»: в России началась…

13 октября 2016 г. в ходе проходившей в Казани выставки «Индустрия здоровья – 2016» Министерству здравоохранения Республики Татарстан был передан легкий вертолет «Ансат», оснащенный специализированным медицинским модулем. Машина, получившая регистрацию…
Летающая лаборатория Перспективного скоростного вертолета ЛЛ ПСВ, созданная в 2015 г. на базе вертолета Ми-24К, в очередном испытательном полете, май 2017 г. В прошлом году на ЛЛ ПСВ в горизонтальном полете впервые была превышена скорость 400 км/ч. Фото: Алексей Михеев
22 мая 2017

Российское вертолетостроение: итоги 2016 г.…

28 апреля 2017 г. холдинг «Вертолеты России», входящий в госкопорацию «Ростех» и объединяющий основные вертолетостроительные активы страны, официально объявил консолидированные операционные и аудированные финансовые результаты своей деятельности за 2016…


separator

Репортажи

Автоматическая станция «Луна‑24» образца 1976 г. (слева) и ее преемница «Луна-25» («Луна-Глоб»), запуск которой запланирован на 2019 г., в павильоне Роскосмоса на МАКС-2017. Фото: Андрей Фомин
24 июля 2017

Космические новости МАКС‑2017

Прошедший с 18 по 23 июля этого года в подмосковном Жуковском 13‑й Международный аэрокосмический салон МАКС‑2017 оказался насыщенным встречами, переговорами и соглашениями о сотрудничестве в области космонавтики. И хотя выставка в этот раз не могла…
фото: Григорий Беденко
25 мая 2017

Ми‑35М теперь и в Казахстане

В конце января 2017 г. на авиационной базе ВВС Сил воздушной обороны Республики Казахстан в Шымкенте на юге страны (в советские времена именовался Чимкентом) началась эксплуатация новых армейских боевых вертолетов Ми‑35М производства ростовского ПАО…
Первый опытный экземпляр МС-21-300 в цехе окончательной сборки. Иркутск, декабрь 2016 г. Фото: «Иркут»
20 января 2017

MС‑21 готовится к первому полету

Важнейшим событием нынешнего года в гражданском авиастроении России должно стать начало летных испытаний перспективного ближне-среднемагистрального пассажирского самолета МС‑21, создание которого ведет корпорация «Иркут». Торжественная выкатка первого…
фото: ВАСО / ОАК
01 декабря 2016

Ил‑112В: собран первый фюзеляж

Во второй половине ноября 2016 г. Воронежское акционерное самолетостроительное общество (ПАО «ВАСО») завершило стыковку фюзеляжа первого летного образца перспективного легкого военно-транспортного самолета Ил‑112В, разрабатываемого Авиационным комплексом…
фото: Андрей Фомин
12 ноября 2016

AG‑600: явление «Водяного дракона»

Авиасалон в Чжухае традиционно является местом, где китайская авиационная промышленность демонстрирует свои достижения остальному миру. В этом году одной из главных новинок хозяев выставки стал новейший тяжелый четырехдвигательный самолет-амфибия AG‑600…


separator

 maks2017 370

 

separator