В русскоязычном информационном пространстве бытует распространенное мнение, что американская космонавтика в значительной мере зависит от российских космических технологий, в частности, от двигателей. Эта идея предполагает в качестве своего основания историю с использованием российских двигателей РД-180 на ракетах Atlas-V, и эта ракета-носитель - главный герой нашего повествования. (Есть еще опыт использования двигателей РД-181 в ракетах Antares, но об этом поговорим в другой раз.)
Мы не будем концентрироваться на том, какие же эксплуатируемые реактивные двигатели в США сейчас создаются на их внутренних производственных мощностях, и в каком количестве. Гораздо интереснее выглядит вопрос, как же американцы вообще пришли к идее использования советско-российских двигателей, и почему?
Долгое время космический челнок Space Shuttle был основной рабочей лошадкой в американской космонавтике, прослужив более 30 лет. Он играл важнейшую и универсальную роль в миссиях на орбиту, от запуска спутников, до сборки и обслуживания Международной космической станции. Разумеется, параллельно с полетами шаттлов, продолжались запуски беспилотных ракет серий Titan, Delta и Atlas, которые, хоть и оставались важной частью американской космической программы, но по большому счету играли вторые роли.
С приближением завершения программы Space Shuttle, возник вопрос о будущем американских космических запусков. Правительство США решило подойти к этому вызову, опираясь на рыночные механизмы, предоставив возможность крупным промышленным игрокам предложить свои решения. Этот подход способствовал появлению и росту новых компаний, таких как SpaceX, которая под руководством Илона Маска на сегодняшний день стала одним из ведущих операторов космических запусков.
Но еще до включения в игру SpaceX, две гигантских корпорации, Boeing и Lockheed Martin, объединили свои усилия для создания новой компании - United Launch Alliance (ULA). Целью ULA было удовлетворение возникшего запроса от NASA, и для этого необходимо было разработать новые, доступные и эффективные ракеты-носители для коммерческого рынка космических запусков. В рамках этого проекта и был создан носитель Atlas-V, в основу которого были взяты российские двигатели.
Идея основной рабочей машины ULA была тривиальна с точки зрения бизнес-стратегии: для снижения затрат и максимизации прибыли, компания решила не разрабатывать собственные ракетные двигатели и не инвестировать средства в новые производственные мощности, а использовать уже существующие технологии, доступные в продаже. В этом контексте, Соединенные Штаты "внезапно" осознали, что Россия, ступив на рыночные рельсы, может экспортировать сложную технику, в том числе и ракетные двигатели.
Компания обратила внимание на российский двигатель РД-180, производимый НПО_Энергомаш, который идеально подходил по характеристикам для запланированной ракеты-носителя, и был доступен для покупки без необходимости проектирования, разработки и производства с нуля. Так приобрел свои очертания проект ракеты Atlas-V, представленный в 2002 году.
Более того, ULA применяла подобный подход закупки не только для жидкостных двигателей, но и для боковых твердотопливных ускорителей, которые поставлялись американской компанией Northrop Grumman, крупнейшим производителем ТТРД в США. Для ранних версий, ТТРД закупались у другой местной ракетостроительной организации, Aerojet Rocketdyne.
Поговорим об устройстве детища ULA более подробно. Atlas-V представляет собой универсальную ракету-носитель, которая была спроектирована для доставки широкого спектра грузов на траектории с различными характеристиками - система запуска имеет достаточно гибкие возможности по выбору высоты и наклонения целевой орбиты. Эта ракета способна выводить на низкую околоземную орбиту от 8 до 19 тонн груза, и такой разброс достигается благодаря различным конфигурациям ракеты.
Первая ступень оснащена одним двигателем РД-180, который работает на топливной паре керосин и жидкий кислород. Этот двигатель выбран за его высокую тягу и надёжность, что критически важно для начальной фазы запуска. Этот плод гения инженерной мысли без труда выдает на старте тягу под 400 тонн силы, и по открытым источникам, за все время эксплуатации у него не было зарегистрировано ни одного отказа. Вторая ступень ракеты использует жидкий водород и кислород, а двигатель RL10 от американской компании Aerojet Rocketdyne обеспечивает высокий удельный импульс, эффективный для работы в космическом вакууме. Такая комбинация ступеней обеспечивает оптимальное сочетание мощности и эффективности на различных этапах полёта.
Особенностью Atlas-V является возможность интеграции разного количества твердотопливных боковых ускорителей, что позволяет точно настроить ракету под специфические требования к грузоподъёмности для каждой миссии. Например, добавление дополнительных ускорителей позволяет ракете выводить более тяжёлые грузы на более высокие орбиты. В зависимости от потребностей, на основную первую ступень может быть установлено до 5 таких ускорителей.
Дополнительное преимущество - эта модульная система запуска также предлагает различные варианты головных обтекателей, которые могут быть подобраны в зависимости от размера и формы полезной нагрузки. Эти обтекатели защищают груз от сопротивления воздуха и термических нагрузок во время подъёма через атмосферу.
Несмотря на недорогие российские двигатели (на момент 2010 года цена могла составлять около 10$ миллионов за штуку), стоимость полноценного запуска все это время оставалась относительно высокой, составляя 110-150$ миллионов. Такая цена достаточно внушительна, по сравнению с запусками аналогичных по грузоподъемности российских ракет, таких как Протон-М. Однако, несмотря на это, Atlas-V использовалась для множества целей в интересах NASA. Первый запуск ракеты произошел в августе 2002 года, и на протяжении уже 20 лет она выполняет самые разнообразные миссии, включая отправку марсохода Curiosity на Марс в 2011 году. Задача этого ровера была направлена на изучение климата, геологии и возможности существования жизни на Красной планете. Успешный запуск Curiosity стал ярким примером возможностей и безопасности ракеты от ULA.
Однако, исторические процессы находятся в движении. В ответ на необходимость снижения зависимости от иностранных технологий, особенно в свете политических разногласий, американская космическая отрасль начала вновь активно развивать свое собственное внутреннее производство. В частности, это было важно для United Launch Alliance, которая столкнулась с проблемой зависимости от российских двигателей для своих ракет Atlas-V.
В то же время, на рынке уже появились новые компании, такие как Blue Origin и SpaceX, которые принесли с собой инновации и свежие идеи в области ракетостроения, включая разработку метановых двигателей. Метановые технологии предложили новые возможности для повышения эффективности и дешевизны ракет. Метан - это очень доступный ресурс, природный газ по большей части состоит именно из него.
Таким образом, пытаясь подстроиться под новые реалии, ULA начала разработку своей новой ракеты - Vulcan. Она призвана заменить Atlas-V и сохраняет многие из её характеристик, но с важными улучшениями. В частности, первая ступень Vulcan использует двигатель BE-4 от компании Джеффа Безоса Blue Origin, работающий на метане и кислороде. Этот выбор обусловлен доступностью двигателя на рынке, и его улучшенными характеристиками по сравнению с традиционным керосином. В силу своих физических свойств, метан обеспечивает более высокий удельный импульс и имеет меньшую плотность, что способствует повышению "производительности" ракеты. Выбор этого горючего позволяет немного "облегчить" вес ракеты, что в свою очередь также повышает эффективность твердотопливных ускорителей. Вторая ступень Vulcan также претерпела изменения, ее увеличили и снабдили двумя двигателями RL10 вместо одного, применяемого на "Атласе".
В спецификациях Atlas-V встречаются упоминания, что возможна модификация с двумя двигателями RL10 на верхней ступени, но мы не нашли ни единого запуска, когда это было осуществлено.
Все это вкупе позволило увеличить максимально возможную полезную нагрузку до 27 тонн на низкую опорную орбиту. В целом, новая разработка сохраняет концепцию универсальности и многофункциональности своего предшественника, предлагая возможность запуска различных типов нагрузок на разные орбиты. Общая концепция осталась прежней - наиболее легкий вариант Вулкана может отработать свои задачи без боковых ускорителей, а наиболее тяжелый может быть снабжен шестью ТТРД для увеличения мощи и "грузоподъемности". Головные обтекатели, как и прежде, представлены линейкой конструкций разного размера и функциональности.
По предварительным оценкам, стоимость запуска Vulcan будет сопоставима с Atlas-V, и составит примерно 100-200$ миллионов, в зависимости от параметров миссии.
Полное название, Vulcan Centaur, может встречаться вам чаще. Centaur - ни что иное, как название второй ступени.
Для ракет такого класса грузоподъемности (Atlas-V - среднего класса, Vulcan - достигнет статуса тяжелого класса), такая стоимость запуска, на современном рынке кажется весьма высокой. В качестве контраста можно рассмотреть SpaceX, чья ракета Falcon_9 способна вывести до 16 тонн на низкую околоземную орбиту за 50-60$ миллионов, а сверхтяжёлая Falcon Heavy, в одноразовом варианте способная вывести до 63 тонн, обходится в 90-150$ миллионов. Стоит понимать, что такие условия, предоставляемые компанией Илона Маска - это не демпинг, и не означает худшего "качества" предоставляемых услуг. Ценовое различие во многом объясняется уникальными технологиями многоразовости, массовости и унификации, используемыми SpaceX.
Так где же здесь рыночная регуляция, и почему ракетам ULA удается сохранять свою нишу? На самом деле, наличие на рынке более дорогих ракет, таких как Atlas-V и Vulcan, не лишено своей экономической логики. Например, NASA и другие крупные заказчики заинтересованы в антимонопольных мерах и диверсификации поставщиков ракетных услуг для обеспечения конкуренции, что, в свою очередь, способствует общему снижению цен в глобальном масштабе. Вторая важная причина - стратегия NASA направлена на одновременное присутствие нескольких операторов запусков, чтобы всегда иметь "запасные варианты", для обеспечения стабильного доступа в космос.
Кроме того, как ни удивительно, сегодня рынок запусков в США испытывает недостаток в предложении по сравнению с возрастающим спросом. SpaceX, несмотря на свои гигантские мощности и стремительное развитие, не может в одиночку удовлетворить все запросы на доставку грузов на орбиту. В таких условиях наличие других поставщиков услуг, включая ULA с их дорогостоящими Atlas-V и Vulcan, остаётся жизненно необходимым.
Кроме того, Atlas-V и ее наследник, выделяются своей универсальностью и надёжностью, что делает их идеальными для множества типов миссий, включая вывод как беспилотной, так и пилотируемой нагрузки. Эти ракеты будут использоваться для запуска космических кораблей нового поколения, таких как CST-100_Starliner от Boeing, и Dream_Chaser от Sierra_Nevada, что подчёркивает их важность в текущей архитектуре космических полётов. И это вновь связано со стратегией диверсификации, чтобы SpaceX не стали монополистом в вопросе доступа к пилотируемым полетам, например на МКС.
Экипажный корабль Starliner на данный момент прошел тестовые полеты на орбите в беспилотном режиме, однако при этом был выявлен ряд серьезных проблем, в частности с программным обеспечением. Следующие шаги ожидаются в начале 2024 года. Космоплан Dream Chaser, по текущим планам также совершит свой первый беспилотный полет на орбиту в апреле 2024. Однако, эти даты уже неоднократно смещались из-за задержек.
Тем не менее, такие излишние финансовые затраты, не могут навсегда оставаться обременением для бюджета США. ULA действительно сталкивается с необходимостью адаптации к меняющимся условиям рынка, особенно учитывая конкуренцию со стороны SpaceX и других компаний. В этом контексте вопросы затрат на производство и ценообразования остаются актуальными. Собираются ли разработчики как-то решать эту "денежную" проблему? И да, и нет.
В отличие от полной многоразовости, которую внедряет Илон Маск и ряд других участников отрасли, ULA изучает возможности частичного возвращения компонентов в рамках проекта Vulcan. Основной акцент делается на возвращении двигателей BE-4 с использованием концепции SMART (Sensible, Modular, Autonomous Return Technology или Разумная, Модульная, Автономная Технология Возвращения). Эта концепция предполагает отделение двигателей от корпуса первой ступени после выполнения первой стадии полета, с последующим возвращением их на Землю. Это предлагается осуществлять с помощью парашютной системы и воздушных подушек для мягкой посадки. Другой прорабатываемый вариант предполагает подхват спускаемого на парашютах блока прямо в полете, с помощью вертолета. Такой подход позволит снизить затраты на каждый запуск, за счёт повторного использования одних из самых дорогих компонентов ракеты.
Стоит понимать, что технология полноценного возвращения первых ступеней подобно ракетам Falcon_9, не всегда возможна для внедрения. Например, инфраструктурные ограничения и уникальность каждого запуска делают невозможным копирование модели SpaceX. Каждый запуск Atlas-V и Vulcan требует индивидуального подхода, особенно при различных наклонениях орбит и начальном ускорении, зависящем от конкретной миссии и количества используемых ТТРД. Кроме того, сохранение топлива для возвращения первой ступени означает снижение грузоподъёмности, что неприемлемо для тяжёлых запусков. Поэтому ожидать, что ULA все же "возьмутся за ум", и оборудуют Vulcan полноценными системами реактивной посадки, было бы завышением требований.
Такой подход ULA к использованию дорогих, но универсальных и надёжных ракет очевидно не направлен на долгосрочную перспективу, но может оставаться все еще востребованным на рынке в ближайшие годы и даже десятилетия. В то же время, продолжающиеся инновации в индустрии, включая разработку таких проектов, как Starship, могут быстро и кардинально изменить ситуацию.
Разработка ракеты Vulcan от ULA не проходит гладко, и встречает массу технических препятствий. Первоначальный запуск ракеты неоднократно откладывался, а весной 2023 года во время испытаний произошла серьезная авария со взрывом верхней водородной ступени, во время проводимых тестов. Несмотря на эти трудности, запланированный первый запуск Vulcan должен состояться 24 декабря 2023 года. Окно для запуска простирается до 26 декабря с дополнительной возможностью старта и в январе.
Наш паблик VK:
Основной полезной нагрузкой для первого запуска будет Peregrine – лунный посадочный аппарат компании Astrobotic. Она была выбрана в рамках программы NASA Commercial Lunar Payload Services (CLPS) для доставки научных грузов NASA на Луну. Посадочный аппарат Peregrine доставит научные приборы на поверхность нашего спутника в районе равнины Sinus Viscositatis.
Кроме того, на борту посадочного модуля будет находиться необычный ритуальный груз от компании Celestis, который представляет собой капсулы с человеческим прахом. Это своеобразное религиозное отправление, "захоронение" усопших на поверхности Луны. Чести упокоиться на другой планете удостоились трое участников сериала Звездный путь: продюссер Джин Родденберри, его жена, актриса Меджел Барретт, а также актер Джеймс Духан.
Подводя итоги, вернемся к тезису о российских двигателях, как о фундаменте американского ракетостроения последних лет. Разумеется, РД-180 послужили хорошим подспорьем для компании ULA, и были ярким маркером того, что сотрудничество всегда выгоднее, чем соперничество. Они надежно отработали возложенные на них задачи, и помогли осуществиться многим научным миссиям. Однако, время диктует свои изменения.
По тем или иным причинам, вне зависимости от нашей моральной оценки, американские производители были вынуждены принять решение об "импортозамещении", и поступательно движутся к выполнению этой цели. Решение использовать двигатели BE-4 от Blue Origin для Vulcan является лишь частью общей картины, и только история рассудит, насколько были полезны или вредны такие шаги в контексте освоения космоса, нашей крохотной и неспокойной цивилизацией.
Второй проект компании ULA - Delta_IV_Heavy. Сравниваем ее с технологиями SpaceX:
