Ракета-носитель – это то, без чего совершенно невозможно в настоящий момент говорить об освоении дальнего и ближнего космоса, без чего неосуществимы все исследования, какими бы амбициозными они ни были, а также все планы и истории в духе "они высадились на Марсе, и так началась великая эпоха колонизации Красной планеты".

История

Сегодня ракеты выводят в космос грузовые и пилотируемые корабли, зонды, телескопы, спутники и даже помогают проводить метеорологические тесты в верхних слоях атмосферы. Они используются в освоении космоса и в научных целях только последние 70 лет, однако для этого им пришлось пройти длинный путь – от теорий, экспериментов и использования в военных целях до первого запуска человека в космос. Основные принципы ракетной техники были известны более 2000 лет назад – в 350 году до н.э. греческий философ Архит сделал деревянного голубя, который приводился в движение паром. Его изобретение считается первым беспилотником и первой машиной, способной к автономному полету. Через 300 лет Герон Александрийский построил эолипил – первый паровой двигатель. Огонь под котлом нагревал воду, а пар проходил по двум трубкам L-образной формы по бокам сферы над котлом, создавая тягу, благодаря чему сфера вращалась. В 1 веке в Китае использовали первые настоящие ракеты для создания эффектных представлений в ходе религиозных церемоний и фестивалей. По сути, это были предшественницы нынешних фейерверков. Первые ракетные двигатели использовались между 1200 и 1300 годами в Азии, топливо включало смесь из селитры, серы и древесного угля. В течение последующих нескольких сотен лет ракеты задействовали в военных целях – предполагается, что история европейского ракетостроения началась с Уильяма Конгрива-старшего, который познакомился с этой технологией в Индии, его сын в 1817 году открыл фабрику производства ракет. Ракета Конгрива была пороховой, с оболочкой из листового железа, она состояла на вооружении армии Великобритании и многих других армий мира.

Отцами современного ракетостроения, положившими начало запускам ракет в космос, принято считать Циолковского, Годдарда и Оберта. Циолковский разработал формулу скорости аппарата под воздействием тяги двигателя ракеты. Оберт сформулировал основные принципы межпланетного полета, его работы включали также исследования многоступенчатых ракет. Годдард запустил в 1926 году первую ракету с жидкостным двигателем, топливо для которой состояло из бензина и жидкого кислорода. После Второй мировой войны началась гонка вооружений – ракеты использовались не только в исследованиях космоса, но и для измерения радиации в верхних слоях атмосферы после ядерных испытаний.

Тем не менее до первого удачного запуска в космос прошло немало времени – все теории на бумаге выглядели отлично, но на практике машиностроение было практически в зачаточном состоянии, не было компьютерного моделирования, в ходе многочисленных летных испытаний ракеты просто взрывались через несколько секунд после запуска. 4 октября 1957 года произошел первый удачный запуск ракеты (являвшейся баллистической ракетой Р-7 со снятой боевой частью), которая вывела в космос советский "Спутник-1". Ракета для этого запуска была создана научной группой во главе с Сергеем Королевым. Фактически можно говорить о том, что первый спутник был триумфом и началом истории космических ракет. Корни этой истории уходили не только к работам трех отцов-основателей, но и к немецким ракетам "Фау-2". Затем были многочисленные запуски спутников и, наконец, первый пилотируемый полет человека. По сей день проводятся запуски ракет того же семейства – Р-7 ("Спутник", "Луна", "Восток", "Восход", "Молния", все "Союзы"). Первые ракеты были двухступенчатые, начиная с "Луны" использовались 3 ступени (и только у "Молний" их было 4, впоследствии вместо применения 4-й ступени было решено увеличить полезную нагрузку). Также классикой стала сверхтяжелая трехступенчатая ракета "Протон", созданная в 1967 году и использующаяся для реализации энергоемких программ. Она может запускаться только с "Байконура" по причине необходимости наличия специальных стартовых площадок.

Первый пилотируемый суборбитальный полет совершил американец Алан Шепард в 1961 году, в миссии использовалась ракета семейства "Редстоун", также являющаяся развитием немецкой "Фау-2". Модификацией "Красного камня" стали "Юпитеры", "Юнона", "Сатурн", "Спарта". Позже уже НАСА использовало ракеты семейства "Атлас", а первая высадка человека на Луну была осуществлена при помощи легендарной ракеты из семейства "Сатурн" – "Сатурн-5". Это самая мощная и самая грузоподъемная ракета, созданная Вернером фон Брауном, использовалась в американских лунный миссиях, она способна вывести на низкую орбиту около 141 тонны груза. У ракеты 3 ступени, 5 жидкостных ракетных двигателей на первой (одни из самых мощных из когда-либо летавших), 5 двигателей на второй и один на третьей.

Если говорить об основных различиях, в СССР и в России всегда ориентировались на простые проверенные временем конструкции и недорогие технологии – "Союзы" были сконструированы в 1960-х и стали самыми "массовыми" ракетами, они доставляли к МКС практически все, начиная от астронавтов и космических туристов и заканчивая грузами. Опять же, надо отметить, что они создавались на базе Р-7, по выверенной схеме. Обозреватели из других стран называли эту ракету "простой, как топор, рабочей лошадкой российской космической программы". Плюсы этих ракет очевидны – за десятилетия полетов их конструкция изучена "от и до", при любых сбоях и неудачах можно быстро выявить причины и внести необходимые исправления. Здесь же стоит отметить, что, когда Китай начинал свою космическую программу, за основу ракеты была взята именно конструкция "Союза". Изначально наша программа была ориентирована на стабильно работающую орбитальную станцию и обслуживающие ее корабли.

Американская программа с ее множеством экспериментов стремилась к длительным полетам и совмещению функции корабль-станция. Хотя у любой медали 2 стороны и российскую программу многие критики оценивают как устаревшую, необходимо вспомнить о многочисленных неудачах поколений американских кораблей. Катастрофы шаттлов в результате непроработанной конструкции (2 из 5 построенных погибли) заставили НАСА пересмотреть свою программу. Всего было 135 запусков (1981–2011 годы), после катастрофы "Колумбии" в 2003 году МКС обслуживали только "Союзы". Однако нужно отметить и преимущества шаттлов – объемные грузовые отсеки (необходимые для доставки к МКС новых модулей без самостоятельных двигательных установок) и, конечно же, твердотопливные ракетные двигатели. Твердотопливные ступени не применялись в советской и российской космонавтике (вместо них использовались жидкостные двигатели), но активно тестировались и использовались в других странах. Хотя они менее пожароопасны и более надежны, но технически сложнее в управлении. На шаттлах было 3 жидкостных двигателя с двумя твердотопливными ускорителями по бокам. Конструкция была пересмотрена после того, как в 1986 году произошла катастрофа "Челленджера" – кольцевой уплотнитель твердотопливного ускорителя оказался неисправен и вызвал утечку газов, разрушивших крепление.

Настоящее

С изобретением небольших спутников типа кубсатов многое поменялось – теперь привычным стало запускать ракету, полезная нагрузка которой состоит сразу из нескольких аппаратов – одного большого по более высокой цене и нескольких маленьких, подешевле (вторичная нагрузка). Начала также развиваться сфера производства сверхмалых ракет для выведения малых спутников – наноносители. Таким образом, в будущем станет возможно сделать запуски проще и дешевле.

Сейчас доставку космонавтов на МКС осуществляют исключительно "Союзы". НАСА после завершения программы шаттлов основало 2 программы по коммерческой доставке грузов на МКС. Были заключены контракты с двумя частными компаниями – с Orbital Sciences Corporation, а также с компанией SpаceX.

Orbital Sciences Corporation осуществляет полеты к МКС при помощи корабля Sygnus и ракеты-носителя Antares. В SpaceX разработали ракету-носитель Falcon, грузовые перевозки к МКС при помощи Falcon осуществляет космический грузовой корабль Dragon – единственный в мире грузовик, способный возвращаться на Землю.

Первая ступень Antares – жидкостная (2 двигателя), вторая – твердотопливная (1 двигатель), в качестве полезной нагрузки – космический грузовик Sygnus. 28 октября 2014 года произошла авария ракеты, причиной стала проблема с двигателем первой ступени. Всего запланировано 8 запусков до 2017 года, 2 компания уже осуществила (3-й был аварийным). Обновленная версия ракеты будет готова к запуску в 2016 году, в конце 2015 года Sygnus будет выведен ракетой Atlas-5 компании United Launch Alliance.

Falcon 9 SpaceX используется для выведения многоразового грузовика Dragon, на обеих ступенях – жидкостные двигатели (9 на первой и 1 на второй). Всего запланировано 15 миссий до 2017 года.

По-своему эта ракета уникальна – обе ее ступени оснащены бортовыми компьютерами и авионикой; при этом авионика произведена SpaceX. Двигатели оснащены контроллерами, которые постоянно проверяют показатели друг друга. Миссия может быть успешной даже после отказа двух двигателей системы – компьютер сам выполнит перерасчет.

Ракеты будущего

Falcon 9 v1.1 Reusable (SpaceX)

Тестовые испытания многоразовой ракеты-носителя продолжаются и являются беспрецедентными. Если у основателя компании Илона Маска все получится, то ракета откроет новую эру по крайней мере в орбитальных полетах – стоимость запуска космических аппаратов будет значительно снижена. Ее особенность – дополнительное топливо, посадочные стойки, 3 работающих на торможение двигателя из 9, навигационное оборудование. Отделение первой ступени от второй должно осуществляться на высоте около 80 км. Основная сложность – приземление первой ступени. В ходе испытаний, прошедших в январе и апреле, ступень не удавалось посадить на плавучую платформу в Атлантическом океане (ее размер – 91 на 52 метра). В январе ракета нацелилась на платформу с высоты около 240 км, однако она повредила платформу и упала в воду при приземлении. В апреле тестовые испытания продолжились – ракета опрокинулась после приземления и также упала в воду.

Falcon Heavy (SpaceX)

Ракета-носитель тяжелого класса сможет доставлять до Марса около 13 тонн груза, а на низкую опорную орбиту – до 53 тонн. Важное отличие от Falcon 9 v1.1 – наличие дополнительных боковых ускорителей. Как и с Falcon 9 v1.1, планируется создать две версии – одноразовую и многоразовую. На ракете также будет уникальная система перекрестной подачи топлива – центральные двигатели смогут использовать топливо из боковых ускорителей, что позволит центральному блоку работать более продолжительное время после отделения боковых двигателей. Первый запуск запланирован на 2015–2016 годы.

Adeline и Ariane 6 (Airbus, ЕКА)

Компания Airbus сообщила о планах начать разработку многоразовой ракеты Adeline. Стоимость возвращаемого модуля будет на 70–80% ниже стоимости обычной ракеты, что опять же послужит цели удешевления запусков. Основная задача – мягкое и точное приземление. Многоразовые ракеты со сниженной стоимостью запуска, способные на вывод десятков и сотен спутников за короткий срок, необходимы для развития отрасли – ранее Маск отмечал, что планирует запустить на низкую околоземную орбиту целое "созвездие" из 4000 спутников для обеспечения широкополосного доступа в интернет. Компания OneWeb заявляла о планах на сеть из 650 спутников. Помимо этого, необходима недорогая и эффективная система обслуживания и дозаправки существующих спутников.

Airbus считает, что ее концепция более экономически эффективна, чем у SpaceX. Помимо этого, как отмечают в компании, частично многоразовые ракеты-носители Ariane 6, разрабатываемые Европейским космическим агентством совместно с Airbus, будут способны выводить на орбиту полезную нагрузку до 10 тонн в отличие от Falcon 9. Опять же, последней необходимо около 44 тонн топлива, чтобы произвести вертикальную посадку, однако Adeline будет весить гораздо меньше, также будет снижено влияние полезной нагрузки на производительность. Airbus уже запатентовал развертываемые винты и тестовые образцы аэродинамических труб. Эти винты будут активироваться после входа модуля в атмосферу, что позволит ему лететь к заданной точке приземления мягко – по аналогии с обычным беспилотником. Двигатели ракеты будут оснащены тепловым щитом, что позволит минимизировать возможные риски при испытаниях, которые все двигатели ракет проходят перед запуском.

Хотя на Adeline будет использоваться жидкое топливо, в многоразовом разгонном блоке Airbus будут применены электрические двигатели, которые предполагают ускорение электрически заряженных ионов газа (как правило ксенона) при задействовании магнитных полей. По сравнению с традиционными химическими двигателями системе требуется время для ускорения. Такой "буксир" будет доставлен на орбиту при помощи Ariane 6 и будет использоваться несколько раз для доставки груза на более высокую орбиту. Его сможет использовать не только Ariane 6 (которая будет доставлять газообразное топливо и нагрузку), но и другие ракеты, а после завершения начальной миссии его можно будет отправить в миссию в дальний космос.

Vulcan (ULA)

Американская компания United Launch Alliance (ULA) – альянс Boeing и Lockheed Martin – разрабатывает новую ракету Vulcan. Новые ракетные системы призваны заменить Delta 4 (Boeing) и Atlas 5 (Lockheed Martin). Основной упор будет сделан на двигатели американского производства (вместо российских двигателей РД-180, использующихся на Atlas 5) – Blue Origin BE-4 на сжиженном газе или керосиновые Aerojet Rocketdyne AR-1. Первый запуск Vulcan запланирован на 2019 год. Повторное использование ракеты также значится в планах, однако, в отличие от конкурентов, ULA не делает ставки на мягкую посадку первой ступени. Компании справедливо считают, что проще и дешевле вернуть самую дорогую часть ступени – маршевые и рулевые двигатели. Блок с ними будет ловить специальный вертолет. Ракета будет модульной, с дополнительными стартовыми ускорителями и разными размерами головных обтекателей. Это обеспечит 12 вариантов от среднего до тяжелого класса. Вторая ступень будет создана к 2023 году, до этого на ракете в этой роли будет выступать ступень Centaur. При частых запусках (10–20 в год) стоимость базового варианта ракеты будет существенно ниже Atlas 5.

Space Launch System (Boeing)

Сверхтяжелая ракета-носитель, предназначенная для пилотируемых экспедиций за пределы околоземной орбиты и выведения грузов. Разработку ведет НАСА. Тестовые испытания должны состояться в 2018 году. По массе выводимых грузов это будет самая мощная ракета своего класса на момент запуска (четвертая после "Сатурн-5" и советских "Энергии" и "Н1") – 70 тонн груза, и планируется увеличение до 130 тонн в более мощной версии. Эта ракета будет выводить пилотируемый космический корабль "Орион", предназначенный не только заменить шаттлы на околоземной орбите, но и доставлять астронавтов на Марс и Луну. Стоимость программы – 35 миллиардов долларов, стоимость одного запуска – 500 миллионов долларов. Пока известно, что ракета будет оснащена твердотопливными ускорителями и водородно-кислородными двигателями. Рассматривается также возможность использования двигателей "Сатурн-5" – F-1.