Второй "заход" в решении проблемы многоразовости ракет-носителей сделала компания SpaceX уже в нашем веке. В настоящее время они успешно спасают первую ступень своего носителя Falcon-9, а также головной обтекатель, предохраняющий полезный груз. Иными словами, многоразовость там реализована не на 100%.
Подход SpaceX сильно отличается от того, что был использован в системе Space Shuttle.
Во многом это отличие было обусловлено разницей компоновок - Falcon-9 построен по последовательной схеме, то есть в нем вторая ступень начинает работу только после отделения первой.
На обеих ступенях носителя используется ЖРД Мерлин, работающий на керосине и жидком кислороде. На первой ступени их 9, один в центре, остальные образуют октагон вокруг него.
Схема спасения первой ступени достаточно проста. Она работает до высоты примерно 70 км, после чего расстыковывается со второй и далее летит отдельно. Если запуск не особо требовательный по энергетике и топлива осталось много, тогда ступень включает 3 своих двигателя и летит дальше - до высоты примерно 200 км, там делает "петлю" и возвращается к месту старта, на оборудованную неподалеку посадочную площадку.
В случае запуска на НОО чего-то достаточно тяжелого первая ступень летит по инерции примерно до 140 км, после чего разворачивается и двигателями гасит горизонтальную скорость. Посадка при этом осуществляется на морскую платформу, которая отстоит примерно на 300 км от точки старта.
В случае запуска на ГПО ступень работает дольше и разгоняется сильнее (до 2300 м/с), а топлива на ней остается гораздо меньше. Поэтому ступень продолжает лететь по баллистической траектории и маневра по горизонтальному торможению не проводит - в этом случае баржу приходится отгонять от точки старта более, чем на 600 км.
На высоте 70 км при входе в плотные слои атмосферы снова включаются три двигателя - ступень тормозится еще раз, тогда же откидываются и начинают работу аэродинамические решетчатые рули (на первых порах - одноразовые алюминиевые, сейчас - многоразовые титановые). Их основная задача - не допустить неконтролируемого вращения или качания ступени.
Собственно мягкая посадка осуществляется при помощи одного центрального двигателя, который дросселируется до 40% первоначальной тяги. В случае посадки носителя после запуска на ГПО для дополнительного гашения скорости перед посадкой включаются еще два.
За две секунды до посадки откидываются посадочные опоры.
Особо стоит отметить, что при посадке первая ступень "нацеливается" не на баржу или посадочную площадку, а мимо нее и только "почувствовав" тормозной импульс (то есть убедившись, что с двигателями все нормально) перенацеливается в нужную точку. Это сделано для того, чтобы в случае неисправности ступень просто "утонула", а не разрушила посадочные устройства.
Что же касается головного обтекателя, то он, после сбрасывания, осуществляет аэродинамический спуск, после чего раскрывает парафойл и приземляется либо на воду
либо в специальную сетку-батут. Второе, конечно, предпочтительнее.
Итак, в данном случае мы имеем реализацию схемы реактивной посадки. Шаттл, напомню, садился аэродинамически - первая ступень на парашютах с плюхом в океан, а вторая - на собственных крыльях.
Выбранная фирмой SpaceX схема выглядит весьма перспективной вот по каким причинам:
1. Для возврата ступени используются те же самые устройства - двигатели и пр., что и для запуска ступени. То есть здесь почти нет ничего, что сделано специально "под возврат" и не работает на выведении. Это очень большой плюс - мы не нагружаем ракету лишними устройствами, топливом и прочим.
2. Схема, работающая на Земле с большой вероятностью будет работать и на других планетах - была бы там подходящая площадка.
3. Работа по "перебору" и дефектовке первой ступени сильно облегчается тем, что на ней стоят относительно простые Мерлины, работающие на керосине, к тому же работающие существенно меньше, чем RS-25 челнока. К тому же мощность Мерлина несопоставима с таковой у SSME - то есть второй работает в куда более экстремальном режиме.
Минусом Мерлина является тот факт, что керосин, по существу, представляет собой смесь углеводородов. Он горит с образованием сажи (в этом легко убедиться, посмотрев на цвет его пламени - оранжевый цвет как раз свидетельствует о том, что в выхлопе есть раскаленные твердые частицы). Водородное пламя гораздо более чистое. Следовательно, возможно засорение внутренних устройств двигателя - для того, чтобы избежать связанных с этим проблем необходимо либо иметь продвинутые методы диагностики, либо банально разбирать и "продувать" двигатель после каждого использования.
В целом можно констатировать, что SpaceX нашли довольно удачный вариант обеспечения многоразовости. Об этом свидетельствует, в частности, начавшиеся попытки подражания - например китайский легкий аналог, полностью копирующий все решения американцев.
Экономическая целесообразность такого решения в общем-то очевидна - стоимость "сухой" первой ступени достаточно велика, чтобы ее повторный запуск был выгоден производителю. Тем более, что набор статистики - а она уже накопилась изрядная - неминуемо выявит все возможные узкие места и позволит наиболее эффективно организовать межполетное обслуживание. Напомним, что "рекордсмен" - ступень под номером B1049 успела полетать уже шесть раз.
Гораздо более туманны перспективы спасения второй ступени - особенно в свете того, что она в ракете Falcon-9 является еще и разгонным блоком, то есть при своей работе выходит на орбиту, то есть достигает первой космической скорости. Я уже писал ранее, что нужно для возврата таких объектов и очевидно, что в ближайшее время ни серьезной термозащиты, ни тем более крыльев на ней не будет. Так что в обозримой перспективе Falcon-9 останется носителем, многоразовым на 70-80%.
Часть 1
Часть 2
Часть 3