На пути к сверхтяжелому носителю

Отправной точкой начала разработки компанией SpaceX сверхтяжелой ракеты-носителя (по американской классификации к таковым относятся средства выведения, способные поднять на низкую орбиту груз массой более 50 т, по отечественной – свыше 100 т) можно считать выступление Илона Маска перед сенатским комитетом по коммерции, науке и транспорту в мае 2004 г., в ходе которого он заявил: «Долговременные планы требуют создания тяжелого и, в случае наличия спроса покупателей, даже сверхтяжелого носителя». Последний поначалу виделся как простое присоединение к проектируемой базовой ракете (на тот момент – Falcon 5, чуть позже – Falcon 9) двух боковых ускорителей на базе блоков ее же первой ступени – это стандартный модульный подход, по которому делались и российская «Ангара-А5», и американская Delta IV Heavy. По расчетам, полученное средство выведения могло бы доставить на низкую околоземную орбиту 24,75 т грузов, а на геопереходную – 9,6 т.

По мере разработки ракеты Falcon эволюционировал и планировавшийся как ее развитие сверхтяжелый носитель: выводя по проекту на низкую орбиту уже до 32 т, он мог бы претендовать не только на значительную долю рынка коммерческих запусков тяжелых геостационарных спутников, но и рассчитывать на участие в гораздо более «денежных» федеральных запусках в интересах американских правительственных ведомств – как гражданских, так и военных.

В апреле 2011 г., выступая в Национальном пресс-клубе в Вашингтоне, руководитель SpaceX впервые публично представил будущий Falcon Heavy: при стартовой массе около 1400 т он мог бы выводить на низкую орбиту уже до 53 т грузов, а на геопереходную (ГПО) – до 21,2 т, причем по невиданно низкой цене – стоимость запуска оценивалась им в 77 и 135 млн долл. соответственно. По словам Маска, с помощью этого носителя удельные затраты на выведение можно будет снизить в разы – до 2000 долл. за килограмм груза. Для сравнения: даже самая мощная модификация ракеты Atlas V выводит на геопереходную орбиту грузы массой не более 8,9 т, а тяжеловес Delta IV Heavy – 14,22 т, при этом их пуск стоит не менее 153 и 350 млн долл. соответственно.

Ошарашенную публику озадачил вопрос: к чему такая огромная энергетика? В обозримом будущем ни коммерческий, ни федеральный рынок не планировали оперировать с подобными нагрузками. Казалось, Маск идет по неверному пути, проектируя ракету без задач и реальных полезных грузов. Однако эксперты понимали, откуда берутся такие цифры.

Во-первых, революционный скачок грузоподъемности объективно вытекал из развития концепции Falcon Heavy, базирующейся на максимальном заимствовании матчасти исходного Falcon 9.

С момента образования компания SpaceX декларировала своей целью создание многоразовых средств выведения, способных кардинально снизить стоимость космических запусков. Несколько лет экспериментируя с парашютной системой спасения первой ступени, инженеры пришли к варианту Falcon 9 v1.1, который принципиально отличался от предшественников реактивной системой вертикальной посадки. Последняя предполагала наличие в первой ступени больших излишков топлива, не используемых при выведении и расходуемых на предпосадочное маневрирование и мягкое приземление. Они снижали энергетические возможности, определяемые общим запасом топлива в баках носителя. Для того, чтобы соответствовать требованиям рынка запусков и компенсировать потери, разработчики пошли на удлинение баков. Однако наращивание стартовой массы тянуло за собой необходимость форсирования тяги двигателей. Заложенное (с опережением) в Falcon 9 v1.1 полуторакратное увеличение длины привело в результате и к полуторному скачку в заявленных характеристиках Falcon Heavy. 

Во-вторых, в силу объективных причин – относительно низкого удельного импульса кислородно-керосиновых двигателей и наличия всего двух ступеней – характеристики Falcon 9 быстро деградировали при выведении космических аппаратов на высокоэнергетические (в т.ч. геопереходные) орбиты и отлетные траектории, интересные федеральным заказчикам. Недаром Тори Бруно, президент и генеральный директор компании-конкурента ULA (United Launch Alliance), подчеркивал, что его ракеты Atlas V и Delta IV «обладают уникальной способностью формировать сложные орбиты и траектории». Это правда – они оснащены верхними ступенями с кислородно-водородными двигателями, и спад их характеристик гораздо плавнее. Для того, чтобы превзойти соперников, оставаясь в рамках находящейся в распоряжении производственной базы, у Маска оставался единственный путь – наращивать энергетику за счет увеличения массы и габаритов.

В-третьих, установка боковых ускорителей автоматически приводила к тому, что удельные характеристики носителя росли, поскольку чисто двухступенчатая схема деления уступала место «2,5‑ступенчатой»: со старта ракета уходит на номинальной тяге всех блоков первой ступени, затем двигатели «центра» дросселируются для экономии топлива. Два боковых блока отделяются примерно на 160‑й секунде полета, а центральный продолжает работать еще 30–40 секунд, увеличивая тем самым массу полезной нагрузки примерно на 10–15% по сравнению с вариантом, когда все три блока первой ступени функционируют одинаковое время.

Наконец, рост энергетических возможностей открывал для тяжелой ракеты SpaceX в перспективе возможность участия в федеральных лунных и марсианских проектах, в т.ч. пилотируемых. Первым сигналом здесь стали предложения по проекту Red Dragon, который был подготовлен в 2013 г. в рамках программы NASA Discovery и предусматривал отправку на Марс начиная с 2018 г. каждые два года беспилотных кораблей Dragon с целью отработки технологий посадки на другие планеты и сбора научной информации. Заявкой на участие в межпланетных программах является и декларация на сайте SpaceX возможности отправки к Плутону зондов массой до 3,5 т. Подчеркивая возможности своего «тяжеловеса», Маск обещает полеты по «быстрым» траекториям – без использования гравитационных маневров, увеличивающих продолжительность экспедиции на долгие годы, если не на десятилетия!

Печатная версия материала опубликована в журнале "Взлёт" № 3-4/2018