Отечественные инженеры-ракетчики работают над двумя вариантами: возвращение ступеней "по-самолётному", на крыле, и вертикально, как у Маска.
Вариант 1: крыло
На самом деле сначала, больше двух десятков лет назад, разработали так называемые универсальные ракетные модули для будущей ракеты "Ангара". Универсальный ракетный модуль (УРМ) — это конструкция, из которой в зависимости от количества можно сооружать ракеты разной "степени тяжести".
Для первой ступени "Ангары" создан 25-метровый УРМ-1 на кислород-керосиновом двигателе РД-191. Один такой модуль и установленная на него вторая ступень (УРМ-2) составляют лёгкую ракету "Ангара-1.2". Если нам нужна ракета потяжелее, мы добавляем к центральному УРМ-1 ещё несколько точно таких же в качестве боковых ускорителей.
Так вот, уже тогда, на рубеже тысячелетий, задолго до появления на небосклоне Илона Маска, российские ракетостроители из НПО "Молния" сделали приблизительно следующее: взяли УРМ-1, установили в его носовом отсеке двигатель истребителя МиГ-29, прикрепили крыло размахом в 17 метров, хвостовое оперение, шасси и прочее нужное оборудование — и получили то, что произвело фурор на авиасалоне в Ле Бурже в 2001 году.
Схема полёта такая: в момент пуска крыло сложено вдоль корпуса ракеты, а после того, как ракета сделала своё дело, то есть вывела в космос вторую ступень и от неё отделилась, крыло начинает разворачиваться, ракета "на автопилоте" снижается и направляется в сторону аэродрома, где и садится на своём авиационном двигателе.
Впоследствии из ракеты "Байкал" вышел проект крылатой ракетной ступени "Крыло-СВ". А теперь ту же самую схему хотят реализовать для лёгкой "Ангары", потому что у неё, как мы уже упоминали, всего один УРМ-1 в качестве первой ступени, то есть его можно сделать похожим на самолёт и таким образом благополучно возвращать на Землю и запускать многократно.
— Таким образом, применение этой схемы исключает затраты на создание посадочного комплекса и средств транспортирования возвращаемых ракетных блоков после посадки, — сообщил Лайфу генеральный директор ГКНПЦ им. М.В. Хруничева Алексей Варочко.
Более того, была идея то же самое сделать и на более тяжёлых вариантах "Ангары", то есть оснастить крыльями и авиадвигателями все боковые ускорители.
Но в центре Хруничева признаются, что схема с крылом требует преодоления немалых технических трудностей и вообще она сложнее, чем вертикальное приземление (как у Falcon 9).
— В варианте крылатой схемы возвращения одной из главных проблем является обеспечение использования крыла в условиях высоких тепловых и аэродинамических нагрузок, — отметил Алексей Варочко.
Вариант 2: посадка "на ноги"
На профессиональном языке это именуется ракетодинамическим способом. Как всем известно, новую эру в этом смысле человечеству открыл Илон Маск.
Напомним, что происходит при посадке первой ступени Falcon 9: через две с половиной минуты после пуска на высоте около 70 километров вторая ступень отстыковывается, а первая немедленно включает свою систему ориентации, чтобы уйти от сопел второй ступени. А дальше — в зависимости от того, где предстоит садиться: на суше или на плавучей платформе.
Если на плавучей, то ступень по инерции ещё какое-то время продолжает подниматься, а потом достигает пика и начинает снижаться носом вниз, то есть двигателями кверху. Вот в этот самый момент её надо развернуть "вверх ногами", и это делается с помощью специальных небольших азотных двигателей. А дальше для торможения три раза включаются двигатели: сначала для задания нужного направления, потом при входе в атмосферу и, наконец, у самой земли (точнее, платформы), где раскрываются посадочные штанги и ракетная ступень садится, а лучше сказать — встаёт.
Если же надо вернуться на посадочную площадку на космодроме, то есть туда же, откуда стартовали, то после расстыковки в космосе первая ступень тоже переворачивается, а потом запускает двигатели и летит в обратную сторону. Дальше всё так же.
Так вот, в России подобную схему разработали для ракеты "Амур-СПГ". СПГ значит, что она летает на сжиженном природном газе. На первой ступени этого носителя пять двигателей на метане и кислороде — РД-0169А от воронежского Конструкторского бюро химавтоматики. Кстати, предусмотрена система "горячего резервирования": если вдруг один двигатель откажет, остальные немедленно наращивают мощность и компенсируют потерю.
За посадку у "Амура-СПГ" отвечает лишь один — центральный — двигатель (у "Фалькона" включаются сразу три). И его именно для приземления надо запустить два раза (а не три, как у Маска). То есть в общей сложности три включения: первый раз — на старте, второй — при входе в атмосферу, третий — у Земли.
Соответственно, у ступени тоже есть посадочные опоры и решётчатые рули для стабилизации ("вафельницы"). Платформы для приземления хотят построить на космодроме Восточный и на берегу Охотского моря. Насчёт плавучей есть большие сомнения: море очень неспокойное. Но продумывают вариант приводнения, то есть чтобы ступень опускалась прямо в воду, а там бы её ловили спецсуда. Доставка возвращённой ступени в монтажно-испытательный комплекс должна будет происходить либо вертолётом, либо по железной дороге — смотря откуда надо везти.
В "Роскосмосе" говорили, что если сделать возвращаемой и вторую ступень "Амура", то тогда система станет чересчур тяжеловесной: для её посадки тоже нужен запас топлива плюс специальное оборудование, то есть всю эту массу нужно тащить за собой в космос вместо какого-то полезного груза.
Но в центре Хруничева сейчас работают над реализацией другой идеи: сажать вертикально тяжёлую "Ангару" ("Ангару-А5"), а именно всю её нижнюю секцию, целиком — центральный УРМ-1 и четыре боковых ускорителя. Вместе, без отделения. То есть вообще по стандартной схеме боковым блокам положено первыми отделяться, и они представляют собой первую ступень. А дальше отделяется центральный, который служит второй ступенью. А по схеме возвращения предлагается не отделять их друг от друга до самого момента отстыковки третьей ступени, а там они выдают тормозной импульс, разворачиваются, снижаются все вместе двигателями вниз и перед самой посадкой снова включаются и выдвигают штанги.
Динамика посадки на опоры — самое сложное в ракетодинамическом приземлении, объясняют в Государственном космическом научно-производственном центре имени М.В. Хруничева. Но если это удастся воплотить, то мы получаем одновременную посадку сразу двух ступеней ракеты-носителя. Это же уже почти "святой Грааль ракетостроения", о котором твердит Илон Маск!
— В отличие от ракеты Falcon 9, рассматриваемый в центре Хруничева вариант многоразовой ракеты "Ангара" отличается тем, что обеспечивается возвращение первой и второй ступеней. У Falcon 9 возвращается только первая ступень, — подчёркивает глава центра Хруничева.
Таким образом, на сегодняшний день нацелились на оба варианта многоразовых ракет: для "Ангары-1.2" — на крыле, для "Ангары-А5" — с вертикальной посадкой. В обоих случаях рассчитывают на десятикратное использование возвращаемых ступеней.
Продолжаются споры о целесообразности многоразовых ракет как таковых: есть аргументы, что техобслуживание слишком дорогое, второй раз запускать носитель рискованно, опять же — полезная нагрузка снижается.
Но есть и контраргументы: во-первых, этот носитель как минимум не падает на землю вместе с топливом (в той или иной степени токсичным). А во-вторых, имеются примеры вполне успешного многократного запуска ступеней Falcon 9. Правда, в том же центре Хруничева считают, что эффективность их повторного использования преувеличена.