28 червня, в свій день народження, знаменитий мільярдер і піонер технічного прогресу Елон Маск отримав неприємний подарунок. На 139-й секунді польоту в баку окислювача ракети Falcon 9 утворилося надлишковий тиск, і 8 секунд по тому ракета зруйнувалася. Разом з носієм загинула вантажна капсула Dragon. Також невдачею завершилася ще одна спроба створити возвращаемую першу сходинку.
Починаючи з 2014 року деякі ракети Falcon 9 - їх виробляє створена Маском компанія SpaceX - відправляються в політ у версії 1.1 R. R - означає reusable, тобто «повторно використовуваний». Після завершення ери багаторазових населених кораблів з крилатою посадкою світова космічна індустрія знову звернулася до теми повторного використання космічних засобів, тільки тепер мова йде не про кораблях, а про перших щаблях ракетних систем. Якщо за програмами типу Space Shuttle і «Буран» стояло намір забезпечити зведення з орбіти великогабаритних вантажів (це так і не стало в нагоді) і прагнення захистити екіпаж від сильних перевантажень при поверненні на Землю, то з багаторазовими першими ступенями все набагато простіше - йдеться про чисту економії. Ракетні двигуни першого ступеня - виріб складне і дороге. Розробники повертаються систем обіцяють в разі успіху їх програм радикальне зниження вартості космічних запусків, а значить, їх більшу доступність для різних господарських потреб і космічного туризму.
Схема повернення рухового блоку методом літакової посадки за проектом Adeline
Спадкоємці «шаттла»
У питанні, що саме і як повертати, існують різні підходи. Наприклад, можна повертати щабель цілком, а можна обмежитися лише виділенням руховим блоком. А як повертати? Найпростіше, що спадає на думку, - це використання парашута або оснащення першого ступеня ... правильно, крилом.
Станом на травень 2015 року військово-космічне підрозділ Airbus Group (колишня EADS) витратило за п'ять років Є15 млн на розробку проекту Adeline. Це проект повернення блоку двигунів першого ступеня за крилатою схемою. Adeline, згідно з наданими малюнками і відеороликів, матиме циліндричний корпус (того ж діаметру поперечного перерізу, що і вся щабель) і крила, що нагадують за формою крило сумнозвісного Spaceship 2. Після відділення від корпусу першого ступеня, яка повторно не використовується, блок здійснить вхід в атмосферу, спланує до аеродрому, випустить шасі і задіє два невеликих двигуна, що обертають штовхають гвинти. Таким чином, Adeline буде сідати не як планер, а як літак - на двигунах. Для повернення блоку буде потрібно додатково 2 т палива. Як заявляють розробники, така схема допоможе зберегти для повторного використання до 80% вартості першого ступеня (імовірно ракети Ariane 6 або іншого носія з ЖРД). Adeline зможе бути використана для 10-20 польотів, перш ніж остаточно виробить свій ресурс і, як вказується, допоможе заощадити до 30% вартості кожного запуску. До речі, Airbus Defence and Space також розробляє ще одну тему, пов'язану із здешевленням космічних запусків, - це космічні буксири (Space Tugs). Сенс цієї програми в тому, щоб розмістити на низькій навколоземній орбіті постійно чергують розгінні блоки. Замість того щоб тягнути з Землі все необхідне для відправки, скажімо, геостационарного супутника на орбіту висотою 36 000 км, носію потрібно просто дотягнути апарат до НГО, а пристикувався космічний буксир зробить все інше.
Повертається крилата перший ступінь «Байкал» для сімейства ракет класу «Ангара» могла б не тільки самостійно планувати на аеродром, а й містилася б в трюм Іл-76 для зручного транспортування.
Якщо про європейський проект повертається блоку активно заговорили тільки останнім часом, то в нашій батьківщині плани створення крилатою першого ступеня озвучені вже давно. Ще на московському авіасалоні МАКС-2001 публіці був продемонстрований макет апарата «Байкал», що був нічим іншим, як повертається першою сходинкою вже тоді проектувався перспективного російського носія «Ангара». Тоді, 14 років тому, новинка отримала великий резонанс в медіа, і представники розробника - ГКНПЦ ім. Хрунічева - пророкували «Байкалу» перспективне майбутнє. Минуло ще десять років, і в 2011 році Роскосмос оголосив серед підприємств аерокосмічної галузі тендер на розробку МРКС - багаторазової космічної системи. З трьох компаній, які взяли участь в тендері, перевага була віддана ГКНПЦ ім. Хрунічева, що обіцяло в тій чи іншій мірі відродження ідеї «Байкалу». Однак з тих пір ніяких обнадійливих новин на цю тему немає. Що ж сталося з російським крилатим проектом?
«Наскільки мені відомо, - каже Павло Пушкін, генеральний директор ТОВ« КосмоКурс »і колишній співробітник ГКНПЦ ім. Хрунічева, - тема МРКС відправлена «в науку», тобто на додаткове вивчення проблеми, і до практики найближчим часом явно не дійде. А про «Байкал» більше нічого не чути, тому що, по суті, нічого з цього не вийшло. Ідея схрестити ракетні та авіаційні технології була привабливою, але виявилася трудноісполнімой. Починаючи з чисто інженерних проблем - крило не проходило за габаритами стандартного стартового столу - і закінчуючи економікою: через крил і шасі перший ступінь виходила дуже важкою і дорогої. Економічні вигоди від такої багаторазовості виглядали сумнівно. З тієї ж причини я не сильно вірю і в європейський проект Adeline, як би красиво він ні рекламувався ».
1. Запуск і відділення I ступені. Двоступенева ракета Falcon 9 піднімається зі стартового столу, і на висоті 80 км перший ступінь відділяється. Космічний апарат продовжує свій шлях за допомогою другого ступеня. Перший ступінь піднімається ще вище, потім починається спуск. 2. Напрям до місця посадки. Три з дев'яти двигунів запускаються знову. Ступінь має власну систему навігації, яка командує двигунів, керуючи курсом апарату. Тепер ступінь націлена на посадочний майданчик. У цей момент швидкість складає близько 500 км / ч. 3. Гальмування двигуном. Чи включається центральний двигун, щоб почати гальмування і допомогти ступені прийняти вертикальне положення. Висуваються аеродинамічні рулі, щоб стабілізувати напрямок польоту, кожен з рулів діє незалежно. Швидкість на цьому етапі знижується до 900 км / ч. 4. Останні метри. Відбувається останнім включення двигунів, щоб уповільнити спуск приблизно до 9 км / год. За допомогою стиснутого гелію висуваються стійки, виконані з жароміцних матеріалів - вуглепластика і пористого матеріалу на базі алюмінію. 5. Посадка. Ступінь здійснює посадку на платформу. Технічний персонал прибуває на баржу, прикріплює щабель і «провітрює» місце посадки від газів, які виробилися при роботі двигуна. На платформі апарат доставляється до берега, де його починають готувати до нової посадці. 6. Посадкова платформа. Посадкова платформа оснащена системою динамічного позиціонування. Вона управляє гребними гвинтами, постійно утримують судно в точці з заданими координатами по GPS плюс-мінус 3 м.
Парашути і вертольоти
А навіщо такі складнощі з крилом? Чи не можна врятувати першу сходинку звичайним парашутування? Можна, але тут є свої складності. Ось американська компанія United Launch Alliance - спільне підприємство двох аерокосмічних гігантів Boeing і Lockheed-Martin - створює перспективну ракету Vulcan на заміну існуючої Atlas V. Перший ступінь буде складатися з набору твердопаливних прискорювачів і двох ЖРД - імовірно це будуть силові установки BE-4, створені компанією Blue Origin і працюють на рідкому метані і рідкому кисні в якості окислювача. За заявою розробників, вартість двох ЖРД становить 90% вартості всієї рухової системи першого ступеня (10% припадає на твердопаливні прискорювачі), а вся рухова система становить 65% вартості першого ступеня. Висновок: ЖРД треба врятувати і використовувати повторно, це помітно здешевить запуски. Передбачається, що руховий блок на заданій висоті відокремиться від першого ступеня і почне зворотний вхід в атмосферу. Від аеродинамічного перегріву його захистить спеціальний надувний щит, який має форму парасольки. Потім розкриється парашут. До цього місця все зрозуміло, але далі виникають проблеми.
Уже згадуваний Елон Маск намагався експериментувати з повертаються ступенями, спускаючи їх на парашуті в океан. Ідея виявилася невдалою: при контакті холодної морської води з розпеченими соплами відбувався вибух, що завдавав двигунів непоправної шкоди. Якщо парашютіровать руховий блок на сушу, то при досить високій вертикальної швидкості спуску на парашуті буде дуже важко забезпечити збереження конструкції, особливо якщо удар припаде на якусь нерівність типу пня або великого каменю. У творців ракети Vulcan є своє рішення: в повітрі парашут з вантажем буде підхоплюватися важким вертольотом і потім акуратно опускатися на підготовлену площадку. Непосвяченим ця ідея здається трошки божевільною.
«Насправді в підхваті вертольотом немає нічого ні особливо складного, ні незвичайного, - каже Павло Пушкін. - За всю історію ця операція здійснювалася близько тисячі разів - правда, це були не важкі апарати, а повертаються модулі супутників або тактичні ракети. Роботи в цій галузі велися і у нас. Там є дві проблеми. По-перше, потрібен вертоліт достатньої вантажопідйомності. У американців його немає, і це одна з причин, чому вони рятують руховий блок, а не всю ступінь. По-друге, якщо апарат відносно легкий, його можна підчепити хоч прямо за парашут. Але для великого вантажу знадобиться парашут з величезним куполом. Якщо зверху підлетить вертоліт, він може потоками йде від гвинтів повітря «погасити» парашут і привести до падіння апарату. Значить, потрібно, щоб від купола тягнувся вгору міцний трос, який і буде «ловити» вертоліт. Але як змусити трос тягнутися вгору? Коли подібна система розроблялася у нас, вітчизняні конструктори придумали включити в конструкцію невеликий безпілотний вертоліт. Він летить над парашутом і утримує трос в потрібному положенні. Після того як трос зловлять і вантаж буде підхоплений, вертоліт автоматично припиняє роботу. У нас це все далі проектів не пішла, але, можливо, подібну систему застосує компанія Blue Origin, яка розробляє свою багаторазову ступінь для космічного туристичного корабля ».
«Росіянка» - проект важкої двоступеневої ракети, розробленої Державним ракетним центром ім. Макєєва. Проект включає в себе возвращаемую першу сходинку, яка здійснює спуск і посадку методом повторного включення двигунів.
На вогненної струмені
Поки у Елона Маска нічого не виходить - ні в однієї з запущених ракет у версії 1.1 R врятувати першу сходинку не вдалося. Система у SpaceX зовсім інша: ніяких крил і парашутів. Перший ступінь ракети повинна опуститися на тверду поверхню, гальмуючи реактивної струменем двигунів. Поки в якості твердої поверхні використовується спеціальна баржа (а в шторм вона якщо і тверда, то нестійка), але проводити подібні експерименти над сушею Маску поки ніхто не дозволить. Хоча задум саме такий: ракета повинна стартувати з сухопутного космодрому і на сухопутний ж космодром буде повертатися перший ступінь для повторного використання. На відміну від інших розробників багаторазових систем, Елон Маск не дуже в накладі: свої досліди він ставить в рамках комерційних запусків, оплачених в основному NASA.
Якщо апарат доставлений на орбіту, доля першого ступеня вже не справа замовника, і він готовий оплачувати Falcon 9, а заодно і нові випробування повертається модуля знову і знову. Зрозуміло, на переробку першого ступеня до версії 1.1 R (скоро буде 1.2 R) Маску довелося витратитися. На відміну від версії 1.1 перший ступінь оснащена розкладати перед самим торканням землі чотирма стійками, виконаними з термостійких матеріалів. Для гальмування, яке вимагає додатково 35 т пального, задіяні три двигуни з дев'яти, для чого цим трьом довелося зробити розширені сопла. Для маневрування та утримання напрямки щабель оснащена чотирма гратчастими аеродинамічними рулями і маленькими маневровими двигунами, що випускають цівки стисненого азоту для корекції курсу. В результаті гальмування двигунами перший ступінь повинна вертикально опуститися на посадковий майданчик зі швидкістю не більше 2 м / с і встати на стійки.
«Не дивлячись на невдачі, - міркує Павло Пушкін, - мені підхід Маска здається найбільш перспективним. Але, взагалі кажучи, питання доцільності розробки багаторазових систем - це завжди питання економічне. Одна справа, якщо перший ступінь можна врятувати і тут же поставити її на нову ракету. Але в світі зараз немає по-справжньому багаторазових двигунів. Візьмемо експерименти Маска - у нього двигуни першого ступеня працюють на гасі, а гас залишає сажу. Значить, навіть якщо силову установку вдасться повернути, її треба чистити і мити, а може бути, і перебирати, що явно коштує грошей і не маленьких. Або є інша сторона питання. Припустимо, ми навчимося робити возвращаемую першу сходинку для «Протона» або «Ангари». Але при нашому і без того невеликій кількості пусків перший ступінь перетвориться в штучний продукт, зникне економічний ефект серійного виробництва, буде деградувати компетенція виробничників. В результаті як би економічний виграш не виявився негативним ».
Проект суборбітальній ракетної системи, що розробляється ТОВ «КосмоКурс». Система складається з повертається ракетного модуля і пасажирської капсули, що здійснює спуск методом парашутування.
Резидент «Сколково» компанія «КосмоКурс», яку очолює Павло Пушкін, займається розробкою комплексу для суборбітального туризму. На відміну від відомого проекту Virgin Galactic, тут все буде побудовано на суто ракетних технологіях. Ракетний модуль розжене пілотовану капсулу до необхідної швидкості, і та пройде на висоту 130-220 км, після чого, на початку вільного падіння, пасажири відчують жадану невагомість. Перший ступінь же відправиться назад і, загальмувавши за допомогою реактивного струменя, опуститься на стійки. Все як у Елона Маска. Повернення капсули на Землю буде здійснено за допомогою парашутів. Така схема, як вважають в «КосмоКурсе», може бути дуже надійною і дасть туристам всі можливі враження в дуже короткий термін - політ триватиме близько 20 хвилин. У зв'язці же літак-ракетоплан, як у Virgin Galactic, занадто багато часу йде на набір висоти, а потім на планування при поверненні.
Запитуємо Павла Пушкіна, чому при всьому його злегка скептичне ставлення до багаторазових системам в «великому» ракетобудуванні він сам займається розробкою багаторазової системи. «Справа в тому, - відповідає Павло, що саме в космічному туристичному бізнесі багаторазовість - це найважливіший економічний фактор. Якщо ми будемо будувати під кожен пуск нову ракету, політ виявиться доступним лише дуже багатим людям. А ми хотіли б вийти на рівень близько 120 пусків на рік, і на таких масштабах економічний ефект від повторного використання ракетного модуля виявиться дуже помітний. До речі, як недавно з'ясувалося, на нашу ж шляху йде американська компанія Blue Origin, яка будує свою суборбітальну туристичну систему, засновану на ракетних технологіях і багаторазовому використанні ракетного модуля ».
Стаття «Порятунок з небес» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №8, серпень 2015 ).
А як повертати?Що ж сталося з російським крилатим проектом?
Чи не можна врятувати першу сходинку звичайним парашутування?
Але як змусити трос тягнутися вгору?