Подведем некоторые итоги и оценим перспективы.
Многоразовость первого этапа дала нам два варианта реализации:
1. Многоразовость по запчастям - первая ступень челнока, которую после полета полностью разбирали на составные части, после чего отбирали детали, которые могли работать дальше. Очевидно, что такое можно назвать многоразовостью с большой натяжкой, так как в повторный полет идет не то же самое изделие.
2. Многоразовость в целом с детальной проверкой - вторая ступень, она же орбитальный самолет челнока, который шел в полет в том же самом виде, в каком стартовал в предыдущий раз, но между полетами подвергался тщательнейшей поузловой проверке, которая, хотя и достигла своих технических целей, но подняла стоимость эксплуатации до подлинно космических величин, что и послужило причиной прекращения программы.
Многоразовость второго этапа оказалась с одной стороны, частичной, так как спасаются и повторно используются только первая ступень и головной обтекатель, а с другой - гораздо более удачной, так как ... памятуя о жарких битвах вокруг этого вопроса выскажусь так - стоимость ракеты после обеспечения ее многократного использования как минимум не выросла. Даже в такой формулировке это является успехом. И, очевидно, программу Falcon-9 никто закрывать не собирается, носители будут летать, первые ступени будут садиться и использоваться повторно.
Ка уже говорилось раньше - об удачности этой схемы говорит то, что ею собираются воспользоваться конкуренты SpaceX. Она будет прямо использоваться в полетах ракеты New Glenn, ее собираются использовать китайцы, о ней периодически говорят и в Роскосмосе. Однако тут есть некоторые тонкости, о которых следует сказать отдельно.
Напомним, как выглядит двигательная установка Falcon-9. Октагон, в вершинах и центре которого установлены двигатели Мерлин, общим количеством 9 штук.
Все на болтах для легкости смены.
Мерлин - весьма примечательный двигатель, он, например, один из лучших в мире по такому показателю, как массовое совершенство, то есть отношению собственной массы к вырабатываемой им тяге. Но не в этом дело. Главное - их на ступени целых 9 штук, и к тому же Мерлин дросселируется, то есть он может менять свою тягу в широких пределах.
Мягкая посадка Falcon-9 обеспечивается работой 1 двигателя (центрального) при его дросселировании на 40-50%. Что это значит? Это значит, что при посадке используется примерно 5% исходной тяги ступени - той, что использовалась при старте.
Это весьма важно. Напомню, что сухую массу носителя все и всегда стараются уменьшить - ибо это груз, который необходимо поднимать, тратя на это топливо и работу двигателей. В итоге такого облегчения первые ступени оказываются довольно хрупки - наверное, всем известно, что стенку Сатурн-5 можно было проткнуть карандашом и что в сухом виде она не могла быть поставлена вертикально - складывалась под собственным весом, жесткость ее обеспечивалась избыточным давлением содержимого.
Соответственно, пустая первая ступень оказывается весьма хрупкой. Но она ею оказывается именно в тот момент, когда нам нужно ее спасать. Если в этот момент включить двигательную установку на всю тягу - ее просто расплющит. То есть, опускать ее нужно очень и очень бережно - и тут многочисленные относительно маломощные и к тому же дросселируемые Мерлины оказываются весьма и весьма кстати.
А теперь посмотрите на двигательную установку, например, Атлас-5.
На его первой ступени стоит ровно один двухкамерный РД-180. Великолепный мощнейший двигатель, которых хорош всем, но только глубина его дросселирования составляет 40-100%. То есть наименьшая тяга, которую он может выдать - 40% от максимальной. То же самое, что и у Мерлина - только вот максимальная тяга РД-180 многократно выше мерлиновской. Пустая ступень не выдержит повторного включения двигателя.
Заметим, что SpaceX планирует использовать ту же самую схему многоразовости на своих Старшипах (и СуперХэви). Там будут стоять Рапторы - также кратно превосходящие Мерлины по мощности. Но - их там будет много и сами ступени будут гораздо более тяжелыми и прочными.
Так что если иметь в виду многоразовое использование - мощные двигатели первой ступени оказываются не лучшим вариантом.
Отметим, что в настоящее время рассматриваются еще две перспективные схемы спасения первой ступени.
Первая заключается в том, что на ступень устанавливается парашют, который снижает скорость ее падения из верхних слоев атмосферы, а "в самом низу" ее подхватывает вертолет. Схема немного напоминает ту, по которой SpaceX ловят свои обтекатели, только вместо катера с батутом - вертолет с крючком.
Эту схему активно рассматривает американская компания Rocket Lab, надеясь с ее помощью спасать первые ступени своих сверхлегких ракет Электрон.
Концепция выглядит любопытно.
Их здорово выручает то, что их ступень очень легкая. "По слухам" такая же схема рассматривалась для спасения блоков первой ступени советской сверхтяжелой ракеты "Энергия" - но там все выглядит гораздо сложнее, так как эти блоки тяжелее, да и "залетают" выше, то есть их надо тормозить, а на них стоят весьма и весьма мощные двигатели.
Второй вариант - это периодически поминаемое Роскосмосом "возвращение на космодром с посадкой на ВПП". Придумано в конце 90-х для Ангары и получило название "Байкал". Вот красивая картинка
В особо "продвинутых" случаях на ступени стоит ВРД и ступень летит как обычный самолет, другие ограничиваются "планерной" посадкой. Посадка, понятное дело, автоматическая, надеялись использовать задел Бурана.
Идея выглядит мертворожденной - как минимум потому, что в этом виде ступень содержит кучу устройств, нужных только для возврата, а это - совершенно не нужный вес. Плюс - средства механизации: складные крылья и хвостовое оперение, выпускаемые шасси и пр. - помимо удорожания, это еще и снижение надежности. Насколько я знаю, всерьез этим пока не занимается никто - хотя, кто знает. Любопытно было бы посмотреть на попытку реализации такого чуда. Вдруг я ошибаюсь.
Отдельно стоит упомянуть весьма экзотическую концепцию одноступенчатых ракет-носителей - в США ее одно время активно прорабатывала компания Макдоннел-Дуглас
В России похожий проект РН "Корона" за свои средства разрабатывает фирма Макеева.
Оба проекта представляют собой компактные ракетные модули с серьезной термозащитой и возможностью маневра в верхних слоях атмосферы, с реактивной посадкой. Эдакий бескрылый симбиоз Шатлла и Фалькона. Пока оба проекта положены на полку - средств нет, а исследований для подтверждения верности концепции требуется много.
Часть 2
Часть 3