Сегодня многие из нас знают или хотя бы слышали о семействе американских частично многоразовых ракет-носителей частной компании SpaceX. Благодаря успехам компании, а также личности основателя Илона Маска, который сам часто становится героем инфоповодов, ракеты Falcon 9, компания SpaceX и космические полеты в целом не сходят со страниц международной прессы. При этом у России были и остаются собственные разработки и не менее интересные проекты многоразовых ракет, о которых известно гораздо меньше. Ответ на вопрос, почему так происходит, очевиден. Ракеты Илона Маска регулярно летают в космос, а многоразовые и частично многоразовые российские ракеты – это пока лишь проекты, чертежи и красивые картинки в презентациях.
Космические запуски сегодня
В наши дни можно смело говорить о том, что «Роскосмос» в какой-то момент проморгал тему многоразовых ракет, имея на руках разработки и проекты, которые опережали другие страны на несколько лет. Все проекты российских многоразовых ракет так и не были доведены до конца, не реализованы в металле. К примеру, разрабатываемая с 1992 по 2012 год многоразовая одноступенчатая ракета-носитель «Корона» так и не была доведена до логического завершения. Результат этого просчета в развитии мы наблюдаем уже сегодня. Россия серьезно сдала позиции на рынке коммерческих космических запусков с появлением американской ракеты Falcon 9 и ее разновидностей, а также серьезно уступает по количеству совершенных в год космических запусков. По итогам 2018 года «Роскосмос» отчитался о 20 космических запусках (один неудачный), при этом еще в апреле 2018 года в интервью ТАСС глава Роскосмоса Игорь Комаров рассказывал о том, что до конца года планируется выполнить 30 космических запусков. Лидером по итогам прошлого года стал Китай, осуществивший 39 космических запусков (один неудачный), на втором месте расположились США с 31 космическим запуском (неудачных нет).
Говоря о современных космических полетах необходимо понимать, что в общей цене запуска современной ракеты-носителя (РН) основная статья расходов – это сама ракета. Ее корпус, топливные баки, двигатели – все это улетает навсегда, сгорает в плотных слоях атмосферы, понятно, что такие безвозвратные траты превращают любой запуск РН в очень дорогое удовольствие. Не обслуживание космодромов, не топливо, не монтажные работы перед запуском, а именно цена самой ракеты-носителя – это главная статья расходов. Очень сложный технологичный продукт инженерной мысли используется считанные минуты, после чего полностью уничтожается. Естественно, это справедливо для одноразовых ракет. Идея использования возвращаемых РН напрашивается здесь сама собой, как реальный шанс снизить расходы на каждый космический запуск. В этом случае даже возвращение только первой ступени делает стоимость каждого запуска ниже.
Посадка возвращаемой первой ступени ракеты-носителя Falcon 9
Именно подобную схему и реализовал американский миллиардер Илон Маск, сделав возвращаемую первую ступень тяжелой ракеты-носителя Falcon 9. Пока первая ступень данных ракет частично возвращаемая, некоторые попытки посадки заканчиваются провалом, но количество неудачных посадок снизилось практически до нуля в 2017 и 2018 годах. К примеру, в прошлом году на 10 успешных приземлений первой ступени пришлась всего одна неудача. При этом новый год компания SpaceX также открыла успешным приземлением первой ступени. 11 января 2019 года первая ступень ракеты Falcon 9 успешно приземлилась на плавучую платформу, более того она была использована повторно, ранее она же вывела на орбиту спутник связи Telestar 18V в сентябре 2018 года. В настоящее время подобные возвращаемые первые ступени уже свершившийся факт. Но когда представители американской частной космической компании лишь говорили о своем проекте, многие специалисты сомневались в возможности его успешной реализации.
В реалиях сегодняшнего дня первая ступень ракеты Falcon 9 тяжелого класса в некоторых запусках может быть использована в возвращаемом варианте. Выводя вторую ступень ракеты на достаточную высоту, она отделяется от нее на высоте порядка 70 километров, отстыковка происходит примерно через 2,5 минуты после старта ракеты-носителя (время зависит от конкретных задач запуска). После отделения от РН первая ступень при помощи установленной системы ориентации осуществляет небольшой маневр, уходя от пламени работающих двигателей второй ступени, и производит разворот двигателями вперед в процессе подготовки к трем основным маневрам торможения. При посадке для торможения первая ступень использует собственные двигатели. Стоит отметить, что возвращаемая ступень накладывает на запуск свои ограничения. К примеру, максимальная полезная нагрузка ракеты Falcon 9 снижается на 30-40 процентов. Это связано с необходимостью резервирования топлива для торможения и последующей посадки, а также дополнительной массой установленного посадочного оборудования (решетчатые рули, посадочные опоры, элементы системы управления и т.д.).
Успехи американцев и большие серии удачных запусков не остались незамеченными в мире, что спровоцировало череду заявлений о начале проектов с использованием частичной многоразовости ракет, в том числе возвращении обратно на Землю боковых ускорителей и первой ступени. Представители «Роскосмоса» также высказались на этот счет. В Компании заговорили о возобновлении в России работ по созданию многоразовых ракет уже в начале 2017 года.
Многоразовая ракета-носитель «Корона» Ракета-носитель «Корона»- общий вид
Многоразовая ракета «Корона» и более ранние проекты
Стоит отметить, что идеей многоразового использования ракет занимались еще в Советском Союзе. После развала страны данная тема не исчезла, работы в этом направлении продолжались. Они начались гораздо раньше, чем об этом только заговорил Илон Маск. К примеру, возвращаемыми должны были быть еще блоки первой ступени сверхтяжелой советской ракеты «Энергия», это было необходимо по экономическим причинам и для реализации ресурса двигателей РД-170, рассчитанных как минимум на 10 полетов.
Менее известным является проект ракеты-носителя «Россиянка», который был разработан специалистами ОАО «Государственный ракетный центр имени академика В. П. Макеева». Главным образом данное предприятие известно своими военными разработками. К примеру, именно здесь создали большинство отечественных баллистических ракет, предназначенных для вооружения подводных лодок, включая стоящие сегодня на вооружении подводного флота России баллистические ракеты Р-29РМУ «Синева».
Согласно проекту, «Россиянка» представляла собой двухступенчатую ракету-носитель, первая ступень которой была многоразовой. По сути та же идея, что и у инженеров SpaceX, но на несколько лет раньше. Ракета должна была выводить на низкую опорную орбиту 21,5 тонны груза – близкие к ракете Falcon 9 показатели. Возвращение первой ступени должно было происходить по баллистической траектории за счет повторного включения штатных двигателей ступени. При необходимости грузоподъемность ракеты можно было довести до 35 тонн. 12 декабря ГРЦ имени Макеева представила свою новую ракету на конкурсе «Роскосмоса» по разработке многоразовых ракет-носителей, но заказ на создание подобных аппаратов ушел конкурентам ГКНПЦ имени Хруничева с проектом «Байкал-Ангара». Скорее всего, у специалистов ГРЦ Макеева хватило бы компетенции реализовать свой проект, однако без достаточно внимания и финансирования это было невозможно.
Проект «Байкал-Ангара» был еще более амбициозным, он представлял собой самолетный вариант возвращения на Землю первой ступени. Планировалось, что после выхода на установленную высоту отделения у первой ступени будет раскрываться специальное крыло и дальше она будет осуществлять полет по самолетному с посадкой на обычном аэродроме с выпуском шасси. Однако такая система сама по себе не только очень сложная, но и дорогая. К ее неоспоримым достоинствам можно было отнести то, что она могла вернуться с большего расстояния. К сожалению, проект так и не был реализован, его еще иногда вспоминают, но не более того.
Сейчас в мире думают уже о полностью возвращаемых ракетах-носителях. Илон Маск анонсировал проект Big Falcon Rocket. Такая ракета должна получить нехарактерную для современной космонавтики двухступенчатую архитектуру, ее вторая ступень является единым целым с космическим кораблем, который может быть как грузовым, так и пассажирским. Планируется, что первая ступень Superheavy будет возвращаться назад на Землю, выполняя вертикальную посадку на космодром за счет использования своих двигателей, данная технология уже отлично отработана инженерами компании SpaceX. Вторая ступень ракеты вместе с космическим кораблем (по сути это и есть космический корабль разного назначения), который получил название Starship, будет выходить на орбиту Земли. У второй ступени также будет оставаться достаточно топлива, чтобы после выполнения космической миссии совершить торможение в плотных слоях атмосферы и совершить посадку на морскую платформу.
Стоит отметить, что в подобной идее у SpaceX также нет пальмы первенства. В России проект многоразовой ракеты-носителя разрабатывался еще с 1990-х годов. И опять над проектом работали в Государственном ракетном центре имени академика В. П. Макеева. Проект многоразовой российской ракеты имеет красивое название «Корона». «Роскосмос» вспомнил о данном проекте в 2017 году, после чего последовали различные комментарии о возобновлении данного проекта. К примеру, в январе 2018 году в «Российской газете» появилась новость о том, что в России возобновлены работы над многоразовой космической ракетой. Речь в ней шла как раз о ракете-носителе «Корона».
В отличие от американской ракеты Falcon-9, российская «Корона» не имеет отделяемых ступеней, по сути, она представляет собой единый космический корабль мягкого взлета и посадки. По словам генерального конструктора ГРЦ имени Макеева Владимира Дегтяря, данный проект должен открыть дорогу к реализации дальних межпланетных пилотируемых полетов. Планируется, что основным конструкционным материалом новой российской ракеты будет углепластик. При этом «Корона» предназначена для выведения космических аппаратов на низкие околоземные орбиты высотой от 200 до 500 километров. Стартовая масса РН составляет порядка 300 тонн. Масса выводимой полезной нагрузки от 7 до 12 тонн. Взлет и посадка «Короны» должны происходить с использованием упрощенных стартовых сооружений, помимо этого прорабатывается вариант запусков многоразовой ракеты с морских платформ. Для взлета и посадки новая РН сможет использовать одну и ту же площадку. Время подготовки ракеты к очередному запуску составляет всего около суток.
Следует отметить, что углепластиковые материалы, необходимые для создания одноступенчатых и многоразовых ракет, применяются в аэрокосмической технике еще с 90-х годов прошлого века. С начала 1990-х годов проект «Корона» прошел долгий путь развития и значительно эволюционировал, надо ли говорить, что изначально речь шла об одноразовой ракете. При этом в процессе эволюции конструкция будущей ракеты становилась одновременно проще и совершеннее. Постепенно разработчики ракеты отказались от использования крыльев и внешних топливных баков, придя к пониманию того, что главным материалом корпуса многоразовой ракеты будет именно углепластик.
В последней на сегодняшний день версии многоразовой ракеты «Корона» ее масса приближается к отметке в 280-290 тонн. Столь большая одноступенчатая ракета-носитель требует наличия высокоэффективного жидкостного ракетного двигателя, который работал бы на водороде и кислороде. В отличие от ракетных двигателей, которые ставятся на отдельных ступенях, подобный ЖРД должен эффективно работать в различных условиях и на различной высоте, включая взлет и совершение полета за пределами атмосферы Земли. «Обыкновенный ЖРД с соплами Лаваля эффективен только на определенных диапазонах высот, – говорят макеевские конструкторы, – по этой причине мы пришли к необходимости использовать на ракете клиновоздушный жидкостный двигатель». Газовая струя в подобных ракетных двигателях сама подстраивается под давление «за бортом», к тому же они сохраняют свою эффективность как у поверхности Земли, так и достаточно высоко в стратосфере.
РН «Корона» в орбитальном полёте с закрытым отсеком полезной нагрузки, рендер
Однако пока что в мире просто не существует рабочего двигателя подобного типа, хотя их разработкой активно занимались еще в СССР и в США. Специалисты считают, что многоразовая ракета-носитель «Корона» должна оснащаться модульным вариантом двигателя, в котором клиновоздушное сопло – это единственный элемент, который в настоящее время не имеет прототипа и не был отработан на практике. В то же время свои технологи в производстве современных композитных материалов и деталей из них в России есть. Их разработкой и применением достаточно успешно занимаются, к примеру, в ОАО «Композит» и Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ).
Для безопасного полета в атмосфере Земли углепластиковая силовая конструкция «Короны» будет защищена теплозащитной плиткой, которая ранее была разработана в ВИАМ еще для космического корабля «Буран» и с тех пор прошла существенный путь развития. «Главная тепловая нагрузка на «Корону» будет концентрироваться на ее носовой части, где применяются высокотемпературные элементы теплозащиты, – отмечают конструкторы. – В то же время расширяющиеся борта ракеты-носителя имеют больший диаметр и расположены под острым углом к потоку воздуха. Температурная нагрузка на эти элементы меньше, а это, в свою очередь, позволяет нам применять более легкие материалы. В результате достигается экономия порядка 1,5 тонн веса. Масса высокотемпературной части ракеты не превышает у «Короны» 6 процентов от общей массы теплозащиты. Для сравнения, у космических челноков «Шаттл» на нее приходилось более 20 процентов».
Изящная конусообразная форма многоразовой ракеты стала результатом огромного количества проб и ошибок. По словам разработчиков, работая над проектом, они рассмотрели и оценили сотни различных вариантов. «От крыльев, как у Space Shuttle или на корабле «Буран», мы решили полностью отказаться, – говорят разработчики. – По большому счету, при нахождении в верхних слоях атмосферы космическим кораблям крылья лишь мешают. В атмосферу на гиперзвуковой скорости такие космические корабли входят не лучше «утюга», и лишь на сверхзвуковой скорости они переходят к горизонтальному полету, после чего и могут в полной мере опереться на аэродинамику крыльев».
Конусообразная осесимметричная форма ракеты позволяет не только облегчить теплозащиту, но и обеспечить ей хорошие аэродинамические качества при движении на больших скоростях полета. Уже находясь в верхних слоях атмосферы, «Корона» получает подъемную силу, которая позволяет ракете не только тормозить, но и совершать маневры. Это позволяет РН маневрировать на большой высоте при полете к месту посадки, в дальнейшем ей остается только завершить процесс торможения, скорректировать свой курс, развернуться кормой вниз, используя небольшие маневровые двигатели, и сесть на Землю.
Проблемой проекта является то, что «Корону» до сих пор разрабатывают в условиях недостаточного финансирования или его полного отсутствия. В настоящее время в ГРЦ имени Макеева удалось завершить лишь эскизный проект по данной теме. По данным, озвученным в ходе XLII Академических чтений по космонавтике в 2018 году, по проекту создания РН «Корона» проведены технико-экономические исследования и составлен эффективный график разработки ракеты. Исследованы необходимые условия создания новой ракеты-носителя и проанализированы перспективы и результаты как процесса разработки, так и будущей эксплуатации новой ракеты.
После всплеска новостей о проекте «Корона» в 2017 и 2018 годах вновь следует тишина… Перспективы проекта и его реализация по-прежнему неясны. Между тем компания SpaceX уже летом 2019 года собирается представить тестовый образец своей новой многоразовой ракеты Big Falcon Rocket (BFR). От создания тестового образца до полноценной ракеты, которая подтвердит свою надежность и работоспособность, может пройти еще много лет, но пока можно констатировать: Илон Маск и его компания делают вещи, которые можно увидеть и пощупать руками. В то же время «Роскосмосу», по словам премьер-министра Дмитрия Медведева, следует заканчивать с прожектёрством и болтать о том, куда мы полетим в будущем. Необходимо меньше говорить и больше делать.