Редкая птица долетит до середины Ангары

Всякий разговор о технологиях и экономике многоразовости в космосе будет не вполне предметным, пока мы не определим в точности, что именно мы понимаем под многоразовым носителем. Начнем с того, что в действительности полностью многоразовых ракет не существует. Даже Falcon-9 компании SpaceX, отработанная «рабочая лошадка» Илона Маска, каждый экземпляр которой побывал в космосе более десятка раз, не может считаться полностью многоразовой — ведь у нее возвращается и используется несколько раз повторно только первая, а не вторая ступень. Последняя ступень в такой конструкции ракеты-носителя не может быть возвращена. Если же она должна быть возвращена по каким-либо принципиальным содержательным соображениям, то тогда мы переходим к конструкции ракетоплана типа Space Shuttle (именно «Шаттла», заметим в скобках, а не космолета «Буран», который выводила на орбиту самостоятельная ракета-носитель «Энергия»).

Но если мы вспомним «Шаттл», то у этого космического корабля тоже садилось «не все, что взлетало». Два боковых твердотопливных ускорителя, по конструкторской задумке, должны были использоваться повторно, но добиться этого не удалось: при парашютной посадке на поверхность океана ускорители получали повреждения, устранение которых для надежного повторного использования обходилось дороже, чем изготовление нового бустера.

Другая попытка обеспечения многоразовости была предпринята в отечественном проекте «Байкал». Модуль «Байкал» представлял собой многоразовый ускоритель первой ступени ракеты-носителя «Ангара». После отстыковки модуль, по замыслу конструкторов, разворачивал поворотное крыло в верхней части корпуса и совершал посадку на аэродром по самолетной схеме. Однако дальше создания полноразмерных макетов изделия, их продувки в ЦАГИ и демонстрации одного из макетов на аэрокосмическом салоне в Ле Бурже в июле 2001 года дело не продвинулось.

Серьезным вызовом для возвращения последних ступеней ракет-носителей с орбиты на Землю является этап вхождения в атмосферу на скорости порядка 8 км/с. В одноразовых системах проблему решает теплозащитный экран, принципиально одноразовый — при прохождении верхних слоев атмосферы он частично сгорает, защищая от сгорания спускаемый аппарат. В многоразовых системах «Шаттл» и «Буран» теплозащитные функции выполняла плитка из композитного керамического материала с низкой теплопроводностью. Опыт эксплуатации «Шаттлов» показал, что решение это дорогостоящее и, что еще более важно, недостаточно надежное: прогорание нескольких плиток на этапе возвращения корабля «Колумбия» 1 февраля 2003 года стоило жизни семерым астронавтам. «Буран» в своем единственном полете 15 ноября 1988 года потерял всего шесть плиток, но постполетная диагностика зафиксировала нештатное состояние значительно большего их числа: часть была деформирована, часть — близка к тому, чтобы отвалиться.

Именно из-за затратности возврата второй ступени Маск попросту отказался от решения этой задачи, добившись надежного возвращения первой ступени двух своих носителей — Falcon 9 и Falcon Heavy — и сейчас приближается к решению этой задачи для своего сверхтяжелого носителя Starship. При этом Маск отработал не использовавшуюся ранее схему вертикальной ракетной посадки, которая стала возможной благодаря изощренной автономной системе управления. Но не надо забывать — и Маск признает это, — что опция ракетного возврата автоматически уменьшает выводимую в космос полезную нагрузку — по разным оценкам, от менее 40 до 50%: требуется резервировать топливо для повторной работы двигателей, предусматривать посадочные опоры, решетчатые рули и прочее. Тем не менее начиная с некоторого количества повторных пусков первой ступени такая схема эксплуатации космической системы экономически оправдывает себя. По расчетам Маска, уже после двух запусков общая стоимость и совокупная грузоподъемность сопоставимы с одним запуском одноразового носителя. Начиная с третьего повторного использования первой ступени экономика схемы работает уже в плюс.

Принципиальный конкурент SpaceX, компания United Launch Alliance, по результатам собственных расчетов заявила, что повторное использование первой ступени окупается начиная с десятого пуска. Разброс оценок может быть связан с наличием трудноизмеримых факторов, таких как, например, частота и глубина необходимых ремонтов двигателей первой ступени в процессе их неоднократного использования, процент потерь возвращаемых головных обтекателей и т. д. Но даже если брать за основу консервативные оценки ULA, этот порог окупаемости Маск уже перешел.

С инженерной точки зрения не менее сложной задачей, чем возвращение первой ступени, является обеспечение многоразовой работы двигателей, точнее, надежного повторного запуска двигателя в невесомости, что необходимо, в частности, для вывода спутников на геостационарную орбиту. И эта задача давно была решена, правда, не без трудностей: пришлось разработать новую версию носителя «Союз», в состав которой в качестве четвертой ступени был добавлен разгонный блок «Л».

Его отличие от предшествующих сценариев выведения на рабочую орбиту состояло в необходимости запуска двигателя в условиях невесомости. До этого аппараты запускались таким образом, что при старте последующей ступени продолжала работать предыдущая. Тем самым так называемая перегрузка не прерывалась, чем обеспечивалось сохранение поверхности раздела между жидкостью и газом наддува в баках. Решить задачу запуска в невесомости удалось лишь с семнадцатого раза, то есть задача оказалась непростой. Ее решение позволило в дальнейшем выводить аппараты на геостационарную орбиту или на траектории полета к планетам Солнечной системы.

Является ли схема многоразовости первой ступени носителей Маска универсальным, годным для всех задач в космосе решением? Конечно нет. Если требуется вывести на орбиту не много небольших грузов, а одну недробимую значительную полезную массу, то вам не обойтись без старой доброй тяжелой или сверхтяжелой одноразовой ракеты. Falcon 9 — идеальное средство экономичного развертывания на орбите массовой спутниковой группировки, но вот для доставки в космос тяжелых модулей и конструкций перспективной российской орбитальной станции лучшим решением является наша «Ангара А5», которая недавно успешно протестировала свой новый стартовый комплекс на космодроме Восточный.

Технологии ракетного возвращения первой ступени ракет-носителей тоже не являются для нашей космической отрасли чем-то недостижимым. Если о соответствующих разработках нет информации в открытых источниках, которые наперебой смакуют каждый распиаренный успех Илона Маска, то это не значит, что их нет.