Ракетостроительная корпорация SpaceX Илона Маска сегодня готовится повторить свой успешный опыт вертикальной посадки первой ступени ракеты-носителя, но уже на плавучую платформу в океане. Предыдущие попытки приземления Falcon 9 на площадку на воде потерпели фиаско. Однако в декабре 2015 года SpaceX удалось мягко посадить на землю первую ступень своей ракеты-носителя, запущенной с космодрома во Флориде. Innogest решил разобраться, зачем SpaceX тратит столько усилий и средств на отработку вертикальной посадки и как успех в этом деле изменит космическую отрасль.

Одноразовые ракеты — это неэкономно

Ракеты-носители отправляют в космос более полувека. Тем удивительнее тот факт, что за все это время целыми они никогда не возвращались. Для каждого запуска строится новая ракета. Подобное положение дел можно сравнить с тем, как если бы пассажирские самолеты разваливались на куски после каждой посадки в аэропорту и для каждого нового рейса их приходилось бы строить заново, используя повторно лишь некоторые уцелевшие и найденные детали. Представьте, сколько бы в таком случае стоил авиабилет. Позволить себе полет на самолете могли бы лишь долларовые миллиардеры. Именно это и происходит сегодня в космонавтике.

Изменить саму логику развития отрасли — задача, которую поставила перед собой компания SpaceX. Научившись строить многоразовые ракеты-носители, можно существенно снизить цену полета в космос. Потенциально речь идет о сокращении затрат в десятки или даже сотни раз.

Первоначальной и главной задачей в этом деле является решение проблемы посадки первой ступени — самой важной и дорогостоящей части ракеты. Двигатели первой ступени могут составлять до половины стоимости всей конструкции аппарата. Разумеется, SpaceX не была первой компанией, которой пришла идея реализовать вертикальную посадку, однако большинство попыток оказывались неудачными. Почему?

В чем сложность приземления ракет

Попытки конструирования многоразовых ракет предпринимались с 1960-х годов XX века. Технически существует три возможных способа посадки космических аппаратов и ракетоносителей, два из которых предполагают торможение об атмосферу.

Для такого торможения можно использовать как парашюты, так и непосредственно корпус ракеты или космического корабля — в зависимости от того, что именно требуется посадить. Парашюты давно и успешно применяются для приземления спускаемых аппаратов российских космических кораблей "Союз", доставляющий космонавтов на МКС и на Землю. Но у этого способа есть множество фундаментальных недостатков. Во-первых, парашюты не способны снизить скорость падения на землю до тех значений, когда посадку можно считать мягкой. В тех же "Союзах", помимо парашютов, используются системы реактивного торможения, которые в последний момент "сбивают" скорость с помощью реактивных двигателей. Если бы "Союзы" падали на землю без тормозящих двигателей, космонавтам пришлось бы испытывать при столкновении с поверхностью опасные для жизни нагрузки.

Космический корабль "Союз"

Смягчить падение может приводнение в океан, но даже в этом случае скорость столкновения с водой носит разрушительный характер. Именно так сажали боковые разгонные ступени американских шаттлов. Результатом была необходимость полной пересборки ракет, переживших сильные ударные нагрузки в процессе приводнения. Кроме того, контакт первой ступени с соленой морской водой пагубно сказывается на некоторых важных деталях ракетных двигателей.

Еще один способ затормозить об атмосферу — использовать для этого непосредственно корпус корабля (крылья и теплозащитный экран). В этом случае спуск будет напоминать затяжной полет планера, который снижается с очень большой высоты, постепенно сбрасывая скорость. Такой принцип был реализован в космических челноках американской программы "Спейс шаттл" (Space Shuttle), а также советском "Буране". Одной из главных задач "Спейс шаттл" было все то же снижение стоимости космических полетов. И именно в этой части программа провалилась — запуски челноков на деле оказались существенно дороже, чем предполагалось.

В отличие от других спускаемых аппаратов, шаттл тормозит об атмосферу гораздо более плавно — ему не приходится продираться сквозь ее плотные слои с огромной скоростью, быстро раскаляясь из-за трения о воздух. Но меньшая температура с лихвой компенсируется длительностью воздействия — чтобы затормозить, челноку приходится находиться в воздухе существенно дольше, используя подъемную силу своих крыльев. От этого страдает его теплоизоляционная защита. Этот нюанс существенно отразился не только на стоимости подготовки челноков к каждому новому полету, но и на их безопасности. Две аварии, случившиеся в 1986 году и 2003 году, унесли в общей сложности жизни 14 человек. К 2011 году программа отправки челноков в космос была свернута правительством США. Запускать российские корабли оказалось не только проще и дешевле, но и безопаснее.

Технология посадки первой разгонной ступени с помощью крыльев, как это делали шаттлы, позже так и не была реализована, хотя такой проект уже долгое время существует в Европейском космическом агентстве. Разработкой соответствующей ракеты Adeline занимается компания AirBus, но за 5 лет проект так и не вышел из стадии концепции.

В августе 2015 года стало известно о планах Роскосмоса по созданию легкой ракеты с крылатой возвращаемой первой ступенью. Цель проекта та же — снизить стоимость космических запусков с помощью повторного использования аппарата. Но на сегодняшний день этот проект так окончательно и не оформился, а крайним сроком его реализации обозначен 2025 год.

Как ракете тормозить двигателем

Прошлый опыт космических запусков говорит о том, что торможение об атмосферу, хотя и является наиболее очевидным технологическим решением, на деле не способно эффективно снизить издержки космических полетов. Есть здесь и еще один принципиальный момент — торможение об атмосферу возможно только в случае, если она вообще существует и имеет достаточную плотность. Например, в условиях Луны или Марса это реализовать нельзя. Остается третий из возможных на сегодняшний день способов посадки — торможение с помощью реактивных двигателей. Этот принцип аналогичен тому, который используется для придания ускорения улетающим в космос ракетам. Струя горящего газа, направленная в одну сторону, толкает корабль в противоположную — прямое следствие третьего закона Ньютона. Этот физический закон ставит строгое условие: если хотите двигаться, значит вам нужно от чего-то оттолкнуться. В условиях земной атмосферы можно оттолкнуться от воздуха (так работает обычный пропеллер). В условиях космического вакуума или разреженной атмосферы для толчка не так много возможностей. Самая доступная из них — отталкиваться от струи горячего газа.

Сегодняшний уровень развития техники не предполагает какой-либо полноценной замены реактивным двигателям. Всевозможные ионные и плазменные двигатели годятся только для длительной работы в открытом космосе, а для старта с Земли их тяги не хватает. Реактивные двигатели позволяют разгонять ракеты до существенных скоростей за маленький промежуток времени — это их главное преимущество. Если же направить струю горящего газа противоположно движению, то реактивное ускорение может также эффективно использоваться для быстрого торможения.

Времена меняются

Системы реактивного торможения космических кораблей успешно разрабатывались еще 50 лет назад, правда, для использования за пределами Земли. Именно так садился на поверхность Луны модуль "Аполлона-11", доставивший на спутник первых посетителей. Другого способа быть попросту не могло из-за отсутствия на Луне атмосферы. В условиях аналогичной посадки на Земле корабль испытывал бы совершенно другие нагрузки и силу гравитационного притяжения, поэтому просто скопировать технологию даже для спускаемых аппаратов, не говоря уже про ракеты, было невозможно.

В 70-х годах американские инженеры были погружены в разработку "Шаттлов". Тогда казалось, что прошлые наработки в авиации помогут именно этой технологии стать будущим пилотируемой космонавтики.После развала СССР в космической отрасли несколько упал уровень конкуренции, что отразилось и на космической программе США, которая к началу 2010-х годов оказалась в зависимости от России — американцы не только остались без космических кораблей, летающих на орбиту, но и двигатели для своих ракет закупали в РФ.

Конкуренции не хватало и на внутреннем американском рынке. Долгое время в США существовал монопольный симбиоз двух организаций: Объединенного альянса запусков (совместное предприятие Boeing и фирмы Lockheed) и Минобороны США, которое осуществляло госзаказ на космические запуски. По понятным причинам у обоих игроков рынка тогда не было никакой мотивации работать над снижением стоимости Однако последние годы ознаменовались появлением сразу нескольких частных аэрокосмических компаний, которые решили получить свою долю рынка и взялись за конструирование многоразовых ракет.

Космический центр SpaceX

Одной из них стала SpaceX. Но слава компании, впервые осуществившей успешное приземление первой ступени, принадлежит компании Blue Origin, основанной создателем Amazon Джеффом Боззом. В конце ноября 2015 года ракета New Shepard поднялась на высоту чуть более 100 км, после чего благополучно приземлилась, затормозив с помощью двигателей до скорости в 7 км/ч. Однако достижение Blue Origin не стоит переоценивать — это был лишь суборбитальный полет, выполненный на скорости в несколько раз меньше той, которая требуется для вывода груза на орбиту. Сейчас Blue Origin занимается разработкой коммерческого суборбитального корабля, способного совершать пассажирские рейсы, лишь немного поднимаясь выше границы атмосферы.

SpaceX ушла гораздо дальше — ее ракеты Falcon 9 уже запустили на орбиту не один десяток спутников, а их транспортный корабль Dragon стал первым в истории аппаратом частной компании, добравшимся до МКС. В ближайшие несколько лет пилотируемый корабль Dragon-2 должен доставить на МКС и первых космических туристов.

Falcon 9: успешная вертикальная посадка

Историческая посадка первой ступени ракеты-носителя Falcon 9 произошла 22 декабря 2015 года. Используя для торможения те же самые ракетные двигатели, за счет которых ракета взлетела, первая ступень успешно села на небольшую посадочную площадку недалеко от космодрома на мысе Канаверал. Вторая ступень Falcon 9 в это время вывела на целевую орбиту 11 спутников связи.

Стартовая площадка, мыс Канаверал (Флорида)

Как говорят сотрудники SpaceX, задачу посадки первой ступени можно сравнить с тем, как если бы вам нужно было бросить карандаш через небоскреб и приземлить его точно на основание острием вверх. Преимущество ракеты лишь в том, что она имеет возможность несколько раз за полет корректировать скорость и положение. С этой целью в баках приходится оставлять около 15% топлива. Это заставляет уменьшать на эквивалентную величину вес выводимого на орбиту груза, что сказывается на экономической целесообразности проекта. Однако если инженерам из SpaceX удастся использовать ракету множество раз (согласно проекту, до 10 запусков), а также снизить до минимума издержки подготовки использованных ракет к новым полетам, все с лихвой компенсируется последующими запусками.

Основная трудность — сохранение стабильного положения ракеты при приземлении — уже преодолена. Теперь SpaceX остается лишь закрепить этот результат.

Однако конечной целью SpaceX является даже не просто создание многоразовых ракет и снижение стоимости космических полетов. Глобальная задача — организация поселения людей на другой планете (сейчас речь идет о Марсе). Получится ли у Илона Маска осуществить задуманное или его идея о жизни вне Земли окажется утопией, покажет время.