28 июня, в свой день рождения, знаменитый миллиардер и пионер технического прогресса Элон Маск получил неприятный подарок. На 139-й секунде полета в баке окислителя ракеты Falcon 9 образовалось избыточное давление, и 8 секунд спустя ракета разрушилась. Вместе с носителем погибла грузовая капсула Dragon. Также неудачей завершилась еще одна попытка создать возвращаемую первую ступень.
Почему падают ракеты Falcon: неудача Маска
Крылатый двигатель Adeline. Разработчик: Airbus Space and Defence

Начиная с 2014 года некоторые ракеты Falcon 9 — их производит со­здан­ная Маском компания SpaceX — отправляются в полет в версии 1.1 R. R — значит reusable, то есть «повторно используемый». После завершения эры многоразовых обитаемых кораблей с крылатой посадкой мировая космическая индустрия вновь обратилась к теме повторного использования космических средств, только теперь речь идет не о кораб­лях, а о первых ступенях ракетных систем. Если за программами типа Space Shuttle и «Буран» стояло намерение обеспечить сведение с орбиты крупногабаритных грузов (это так и не пригодилось) и стремление защитить экипаж от сильных перегрузок при возвращении на Землю, то с многоразовыми первыми ступенями все гораздо проще — речь идет о чистой экономии. Ракетные двигатели первой ступени — изделие сложное и дорогостоящее. Разработчики возвращаемых систем обещают в случае успеха их программ радикальное снижение стоимости космических запусков, а значит, их б? льшую доступность для разных хозяйственных нужд и космического туризма.

Наследники «шаттла»

В вопросе, что именно и как возвращать, существуют разные подходы. Например, можно возвращать ступень целиком, а можно ограничиться лишь отделяемым двигательным блоком. А как возвращать? Самое простое, что приходит в голову, — это использование парашюта или оснащение первой ступени… правильно, крылом.

По состоянию на май 2015 года военно-космическое подразделение Airbus Group (бывшая EADS) потратило за пять лет Є15 млн на разработку проекта Adeline. Это проект возвращения блока двигателей первой ступени по крылатой схеме. Adeline, согласно предоставленным рисункам и видеороликам, будет иметь цилиндрический корпус (того же диаметра поперечного сечения, что и вся ступень) и крылья, напоминающие по форме крыло печально известного Spaceship 2. После отделения от корпуса первой ступени, которая повторно не используется, блок осуществит вход в атмосферу, спланирует к аэродрому, выпустит шасси и задействует два небольших двигателя, вращающих толкающие винты. Таким образом, Adeline будет садиться не как планер, а как самолет — на двигателях. Для возвращения блоку потребуется дополнительно 2 т топлива. Как заявляют разработчики, такая схема поможет сохранить для повторного использования до 80% стоимости первой ступени (предположительно ракеты Ariane 6 или другого носителя с ЖРД). Adeline сможет быть использована для 10−20 полетов, прежде чем окончательно выработает свой ресурс и, как указывается, поможет сэкономить до 30% стоимости каждого запуска. Кстати, Airbus Defence and Space также разрабатывает еще одну тему, связанную с удешевлением космических запусков, — это космические буксиры (Space Tugs). Смысл этой программы в том, чтобы разместить на низкой околоземной орбите постоянно дежурящие разгонные блоки. Вместо того чтобы тащить с Земли все необходимое для отправки, скажем, геостационарного спутника на орбиту высотой 36 000 км, носителю потребуется просто дотянуть аппарат до НОО, а пристыковавшийся космический буксир сделает все остальное.

|slideshow-39501 // спасение с небес 2|

Если о европейском проекте возвращаемого блока активно заговорили только в последнее время, то в нашем отечестве планы создания крылатой первой ступени озвучены уже давно. Еще на московском авиа­салоне МАКС-2001 публике был продемонстрирован макет аппарата «Байкал», являвшегося ничем иным, как возвращаемой первой ступенью уже тогда проектировавшегося перспективного российского носителя «Ангара». Тогда, 14 лет назад, новинка получила большой резонанс в медиа, и представители разработчика — ГКНПЦ им. Хруничева — прочили «Байкалу» перспективное будущее. Прошло еще десять лет, и в 2011 году Роскосмос объявил среди предприятий аэрокосмической отрасли тендер на разработку МРКС — многоразовой космической системы. Из трех компаний, принявших участие в тендере, предпочтение было отдано ГКНПЦ им. Хруничева, что сулило в той или иной степени возрождение идеи «Байкала». Однако с тех пор никаких обнадеживающих новостей на эту тему нет. Что же случилось с российским крылатым проектом?

«Насколько мне известно, — говорит Павел Пушкин, генеральный директор ООО «КосмоКурс» и бывший сотрудник ГКНПЦ им. Хруничева, — тема МРКС отправлена «в науку», то есть на дополнительное изучение проблемы, и до практики в ближайшее время явно не дойдет. А про «Байкал» больше ничего не слышно, потому что, по сути, ничего из этой затеи не вышло. Идея скрестить ракетные и авиационные технологии была привлекательной, но оказалась трудноисполнимой. Начиная с чисто инженерных проблем — крыло не проходило по габаритам стандартного стартового стола — и заканчивая экономикой: из-за крыльев и шасси первая ступень получалась очень тяжелой и дорогостоящей. Экономические выгоды от такой многоразовости выглядели сомнительно. По той же причине я не сильно верю и в европейский проект Adeline, как бы красиво он ни рекламировался».

Фото 1. Запуск и отделение I ступени Двухступенчатая ракета Falcon 9 поднимается со стартового стола, и на высоте 80 км первая ступень отделяется. Космический аппарат продолжает свой путь с помощью второй ступени. Первая ступень поднимается еще выше, затем начинается спуск. 2. Направление к месту посадки Три из девяти двигателей запускаются вновь. Ступень имеет собственную систему навигации, которая командует двигателям, управляя курсом аппарата. Теперь ступень нацелена на посадочную площадку. В этот момент скорость составляет около 500 км/ч. 3. Торможение двигателем Включается центральный двигатель, чтобы начать торможение и помочь ступени принять вертикальное положение. Выдвигаются аэродинамические рули, чтобы стабилизировать направление полета, каждый из рулей действует независимо. Скорость на этом этапе снижается до 900 км/ч. 4. Последние метры Происходит последнее включение двигателей, чтобы замедлить спуск примерно до 9 км/ч. С помощью сжатого гелия выдвигаются стойки, выполненные из жаропрочных материалов — углепластика и ячеистого материала на базе алюминия. 5. Посадка Ступень совершает посадку на платформу. Технический персонал прибывает на баржу, прикрепляет ступень и «проветривает» место посадки от газов, которые выработались при работе двигателя. На платформе аппарат доставляется к берегу, где его начинают готовить к новой посадке. 6. Посадочная платформа Посадочная платформа оснащена системой динамического позиционирования. Она управляет гребными винтами, постоянно удерживающими судно в точке с заданными координатами по GPS плюс-минус 3 м.

Парашюты и вертолеты

А зачем такие сложности с крылом? Нельзя ли спасти первую ступень обычным парашютированием? Можно, но здесь есть свои сложности. Вот американская компания United Launch Alliance — совместное предприятие двух аэрокосмических гигантов Boeing и Lockheed-Martin — создает перспективную ракету Vulcan на замену существующей Atlas V. Первая ступень будет состоять из набора твердотопливных ускорителей и двух ЖРД — предположительно это будут силовые установки BE-4, созданные компанией Blue Origin и работающие на жидком метане и жидком кислороде в качестве окислителя. По заявлению разработчиков, стоимость двух ЖРД составляет 90% стоимости всей двигательной системы первой ступени (10% приходится на твердотопливные ускорители), а вся двигательная система составляет 65% стоимости первой ступени. Вывод: ЖРД надо спасти и использовать повторно, это заметно удешевит пуски. Предполагается, что двигательный блок на заданной высоте отделится от первой ступени и начнет обратный вход в атмосферу. От аэродинамического перегрева его защитит специальный надувной щит, имеющий форму зонтика. Затем раскроется парашют. До этого места все понятно, но дальше возникают проблемы.

Уже упоминавшийся Элон Маск пытался экспериментировать с возвращаемыми ступенями, спуская их на парашюте в океан. Идея оказалась неудачной: при контакте холодной морской воды с раскаленными соплами происходил взрыв, наносивший двигателям непоправимый ущерб. Если парашютировать двигательный блок на сушу, то при достаточно высокой вертикальной скорости спуска на парашюте будет очень трудно обес­пе­чить сохранность конструкции, особенно если удар придется на какую-то неровность типа пня или большого камня. У создателей ракеты Vulcan есть свое решение: в воздухе парашют с грузом будет подхватываться тяжелым вертолетом и затем аккуратно опускаться на подготовленную площадку. Непосвященным эта идея кажется немножко сумасшедшей. «На самом деле в подхвате вертолетом нет ничего ни особенно сложного, ни необычного, — говорит Павел Пушкин. — За всю историю эта операция осуществлялась около тысячи раз — правда, это были не тяжелые аппараты, а возвращаемые модули спутников или тактические ракеты. Работы в этой области велись и у нас. Там есть две проблемы. Во‑первых, нужен вертолет достаточной грузоподъемности. У американцев его нет, и это одна из причин, почему они спасают двигательный блок, а не всю ступень. Во‑вторых, если аппарат относительно легкий, его можно подцепить хоть прямо за парашют. Но для большого груза понадобится парашют с огромным куполом. Если сверху подлетит вертолет, он может потоками идущего от винтов воздуха «погасить» парашют и привести к падению аппарата. Значит, нужно, чтобы от купола тянулся вверх прочный трос, который и будет «ловить» вертолет. Но как заставить трос тянуться вверх? Когда подобная система разрабатывалась у нас, отечественные конструкторы придумали включить в конструкцию небольшой беспилотный вертолет. Он летит над парашютом и удерживает трос в нужном положении. После того как трос поймают и груз будет подхвачен, вертолет автоматически прекращает работу. У нас это все дальше проектов не пошло, но, возможно, подобную систему применит компания Blue Origin, которая разрабатывает свою многоразовую ступень для космического туристического корабля».

Схема возвращения двигательного блока методом самолетной посадки по проекту Adeline Схема возвращения двигательного блока методом самолетной посадки по проекту Adeline

На огненной струе

Пока у Элона Маска ничего не выходит — ни у одной из запущенных ракет в версии 1.1 R спасти первую ступень не удалось. Система у SpaceX совершенно иная: никаких крыльев и парашютов. Первая ступень ракеты должна опуститься на твердую поверхность, тормозя реактивной струей двигателей. Пока в качестве твердой поверхности используется специальная баржа (а в шторм она если и твердая, то неустойчивая), но проводить подобные эксперименты над сушей Маску пока никто не разрешит. Хотя замысел именно такой: ракета должна стартовать с сухопутного космодрома и на сухопутный же космодром будет возвращаться первая ступень для повторного использования. В отличие от других разработчиков многоразовых систем, Элон Маск не особенно в накладе: свои опыты он ставит в рамках коммерческих запусков, оплаченных в основном NASA. Если аппарат доставлен на орбиту, судьба первой ступени уже не дело заказчика, и он готов оплачивать Falcon 9, а заодно и новые испытания возвращаемого модуля снова и снова. Разумеется, на переделку первой ступени до версии 1.1 R (скоро будет 1.2 R) Маску пришлось потратиться. В отличие от версии 1.1 первая ступень оснащена раскладываемыми перед самым касанием земли четырьмя стойками, выполненными из термостойких материалов. Для торможения, которое требует дополнительно 35 т горючего, задействованы три двигателя из девяти, для чего этим трем пришлось сделать расширенные сопла. Для маневрирования и удержания направления ступень оснащена четырьмя решетчатыми аэродинамическими рулями и маленькими маневровыми двигателями, выпускающими струйки сжатого азота для коррекции курса. В результате торможения двигателями первая ступень должна вертикально опуститься на посадочную площадку со скоростью не более 2 м/с и встать на стойки.

Возвращаемая крылатая первая ступень «Байкал» для семейства ракет класса «Ангара» могла бы не только самостоятельно планировать на аэродром, но и помещалась бы в трюм Ил-76 для удобной транспортировки. Возвращаемая крылатая первая ступень «Байкал» для семейства ракет класса «Ангара» могла бы не только самостоятельно планировать на аэродром, но и помещалась бы в трюм Ил-76 для удобной транспортировки.

«Несмотря на неудачи, — рассуждает Павел Пушкин, — мне подход Маска кажется наиболее перспективным. Но, вообще говоря, вопрос целесообразности разработки многоразовых систем — это всегда вопрос экономический. Одно дело, если первую ступень можно спасти и тут же поставить ее на новую ракету. Но в мире сейчас нет по-настоящему многоразовых двигателей. Возьмем эксперименты Маска — у него двигатели первой ступени работают на керосине, а керосин оставляет сажу. Значит, даже если силовую установку удастся вернуть, ее надо чистить и мыть, а может быть, и перебирать, что явно стоит денег и не маленьких. Или есть другая сторона вопроса. Допустим, мы научимся делать возвращаемую первую ступень для «Протона» или «Ангары». Но при нашем и без того небольшом количестве пусков первая ступень превратится в штучный продукт, исчезнет экономический эффект серийного производства, будет деградировать компетенция производственников. В итоге как бы экономический выигрыш не оказался отрицательным». Резидент «Сколково» компания «КосмоКурс», которую возглавляет Павел Пушкин, занимается разработкой комплекса для суборбитального туризма. В отличие от известного проекта Virgin Galactic, здесь все будет построено на чисто ракетных технологиях. Ракетный модуль разгонит пилотируемую капсулу до необходимой скорости, и та проследует на высоту 130−220 км, после чего, в начале свободного падения, пассажиры испытают вожделенную невесомость. Первая ступень же отправится обратно и, затормозив с помощью реактивной струи, опустится на стойки. Все как у Элона Маска. Возврат капсулы на Землю будет осуществлен с помощью парашютов. Такая схема, как считают в «КосмоКурсе», может быть очень надежной и даст туристам все возможные впечатления в очень короткий срок — полет будет длиться около 20 минут. В связке же самолет-ракетоплан, как у Virgin Galactic, слишком много времени уходит на набор высоты, а затем на планирование при возвращении.

Спрашиваем Павла Пушкина, почему при всем его слегка скептическом отношении к многоразовым системам в «большом» ракетостроении он сам занимается разработкой многоразовой системы. «Дело в том, — отвечает Павел, что именно в космическом туристическом бизнесе многоразовость — это важнейший экономический фактор. Если мы будем строить под каждый пуск новую ракету, полет окажется доступным лишь очень богатым людям. А мы хотели бы выйти на уровень порядка 120 пусков в год, и на таких масштабах экономический эффект от повторного использования ракетного модуля окажется очень заметен. Кстати, как недавно выяснилось, по нашему же пути идет американская компания Blue Origin, которая строит свою суборбитальную туристическую систему, основанную на ракетных технологиях и многоразовом использовании ракетного модуля».

Проект суборбитальной ракетной системы, разрабатываемой ООО «КосмоКурс». Система состоит из возвращаемого ракетного модуля и пассажирской капсулы, осуществляющей спуск методом парашютирования. |slideshow-39491 // спасение с небес|

Статья «Спасение с небес» опубликована в журнале «Популярная механика» (№8, Август 2015).