Читать предыдущую часть. <<<
В предыдущих частях мы поговорили о физических и инженерных особенностях твердотопливных ракет. Теперь стоит осветить не менее важные, экономические факторы, которые в современных реалиях отражают общую эффективность любой системы запуска и предпочтительность в выборе той или иной технологии. Встает приземленный вопрос - сколько денег требуется для вывода той или иной массы полезной нагрузки на орбиту Земли?
Для начала, рассмотрим технологии повторного использования ракет носителей, или по крайней мере первых ступеней. Повторное использование рассматривается как основной инструмент удешевления запусков в космос, по очевидной причине - ракету не приходится каждый раз производить заново для каждого полета. Сегодня эта технология активно внедряется благодаря SpaceX с их многоразовыми ступенями в ракете Falcon_9. Эта способность ракет Илона Маска обусловлена технологией реактивной посадки - почти пустая первая ступень, отработавшая в качестве разгонного блока, совершает мягкую посадку на землю с помощью своих маршевых двигателей.
Однако, еще на заре эры шаттлов, в 1980-е годы, условная первая ступень системы Space Shuttle, а именно твердотопливные ускорители SRB также использовались повторно. Это вообще можно считать одной из первых попыток создания многоразовых первых ступеней. Однако, в отличие от жидкостных ракет, способных к реактивной посадке благодаря регулированию тяги, твердотопливным ускорителям приходится использовать более тривиальную технологию - парашюты.
В ходе полета Space Shuttle, после того как SRB отработали свой ресурс и отделились от орбитального корабля, они раскрывали парашюты и приводнялись в Атлантический океан на скорости около 80 км/ч. Ступень входила в воду кормой вперед, и сохраняла плавучесть до прихода спасательного корабля. Специализированные суда, находящиеся в районе падения, подходили к ускорителям и, используя специальное оборудование, брали их на буксир. Затем SRB доставлялись на базу NASA, где проходили процесс диагностики и восстановления. После проверки и замены поврежденных или изношенных компонентов, ускорители готовились к повторному использованию. Согласно данным NASA, большая часть деталей SRB были использованы повторно.
Вообще, планы возвращения первых ступеней ракет с помощью парашютов появились в "незапамятные" времена, еще с самых первых шагов человека в космос. В пример, как ни странно, можно привести все ту же первую ступень сверхтяжелой ракеты Saturn_V, с которой мы производили сравнение в предыдущей части статьи. Представьте себе, если бы эта гигантская первая ступень знаменитой лунной ракеты могла бы возвращаться на Землю и использоваться заново - это удешевило бы программу высадок на Луну по крайней мере на десяток процентов, верно?
Однако, здесь бы приходим к еще одному отличию твердотопливных ракетных двигателей (ТТРД) от жидкостных (ЖРД). Отработавший ТТРД представляет собой ни что иное, как массивную металлическую трубу с соплом на корме, и для такой незамысловатой конструкции нет ничего страшного при входе вводу на скорости в 80_км/ч. Большая часть деталей при этом совершенно не повреждается. Однако, в случае со сложными ЖРД, такими как Rocketdyne_F-1, установленными на первой ступени Сатурна, погружение на высокой скорости в воду могло бы привести к непоправимым повреждениям множества мелких подвижных деталей. Стоит понимать, что даже диагностика такого сложного двигателя после жесткого приводнения представляла бы собой больше проблему, чем ее решение - его просто приходилось бы разбирать по винтикам и собирать заново, анализируя повреждения каждого миниатюрного элемента.
Собственно поэтому, такой способ возвращения ступеней, актуален исключительно для твердотопливных ускорителей. Более того, Space Shuttle - это пожалуй единственный пример такого подхода к повторному использованию отработавших ТТРД. Например, в другой ракетной системе, европейской Ariane, такой метод не применяется. Европейское космическое агентство проводило эксперименты по возвращению бустеров, однако целью было послеполетное исследование и анализ отработавшего двигателя, повторно же они не использовались.
Причина, судя по всему в том, что экономический выигрыш от многократной эксплуатации корпуса "пороховой" ракеты, перекрывается затратами на поиск и эвакуацию оного с места падения и последующие процедуры диагностики и восстановления. К тому же, с массовым внедрением технологии реактивной посадки жидкостных ступеней, ТТРД перестали быть единственными реиспользуемыми ускорителями.
Но даже если использовать твердотопливные ракетные двигатели повторно, могут ли они принести желаемую экономию и дешевизну доступа в космос? Мы уже неоднократно останавливались на простоте их устройства, что безусловно, является плюсом для любого производственного процесса. По сравнению с двигателями на жидком топливе, ТТРД имеют меньше деталей и подвижных частей и не требуют сложных топливных систем, что делает их разработку и изготовление менее технологично затратным. Но итоговая стоимость изделия определяется не только человекочасами работы и необходимостью в множестве сложных высокоточных станков.
Количество и цена сырьевых материалов также могут определять львиную долю стоимости. В предыдущих частях мы уже говорили о массивности ТТРД, например основа SRB от Шаттла это тяжелая 80-тонная стальная труба. Это может звучать не слишком впечатляюще, если мы просто посчитаем цену стали за тонну, однако на практике это означает необходимость в специализированном крупногабаритном оборудовании для производства, и солидные затраты на логистику. К тому же, само твердое топливо для таких ракет обычно стоит гораздо дороже, чем жидкие топливные компоненты, вроде керосина или жидкого кислорода.
Обратимся к реальным примерам. Стоимость производства одного ускорителя SRB оценивается специалистами отрасли примерно в 40-50$ млн. Стоит понимать, что для запуска Space Shuttle таких ускорителя требовалось два, причем они являлись всего лишь первой разгоняющей ступенью. На орбите в конечном итоге оказывался сам космический челнок и полезная нагрузка около 20-24 тонн в его грузовом отсеке. Другой пример, европейская ракета Vega-C, также работающая на ТТРД, способна вывести на орбиту 1,5 тонны, и обходится Европейскому космическому агентству ESA в сумму 25-30$ млн.
Сравнить это можно с жидкостной ракетой Союз-2.1, один запуск которой обходится в 50-60$ млн, а полезная нагрузка, выводимая на низкую орбиту составляет при этом около 9 тонн. Другая часто используемая ракета, Falcon_9, примерно по той же цене выводит на орбиту уже 16 тонн нагрузки, и эта стоимость неуклонно снижается из-за технологии повторного использования. Таким образом, хотя твердотопливные ракетные двигатели могут предложить простоту и надежность, их экономическая выгода по сравнению с жидкостными аналогами остается дискуссионным вопросом.
Наш паблик VK:
В этой серии статей мы рассмотрели множество характеристик твердотопливных двигателей, берущих свое начало в самых древних ракетах - пороховых фейерверках. Мы сравнили эти показатели с примерами жидкостных ракет, и, кажется, совершенно не получили однозначного ответа - так является ли эта технология выгодной, эффективной, удобной в использовании? К сожалению, как и в большинстве высокотехнологичных сфер с огромным количеством переменных, не существует единого однозначного ответа. Говоря обобщенно, оба типа двигателей имеют свои уникальные преимущества, которые делают их подходящими для разных задач.
Однако, мы можем оценить практику использования ТТРД, ведь эти устройства массово применяются в большом количестве современных ракет-носителей. Мы можем видеть, что несмотря на свои ограничения, они завоевали свое место в ракетостроении благодаря своей надежности, простоте и способности быстро разгонять ракету на начальном этапе. Поэтому они часто используются в качестве боковых ускорителей первых ступеней в таких ракетах, как европейская Ariane, американская Atlas, японская H-II, индийская GSLV, и многих других. Они также нашли свою нишу в ракетах с технологией воздушного старта, где запуск жидкостных ракет представляет собой сложную инженерную задачу. Типичный тому пример - ракета Пегас, совершившая множество успешных миссий в интересах NASA.
Однако, жидкостные ракетные двигатели предлагают гораздо больше гибкости в управлении и возможности для повторного зажигания, что делает их предпочтительными для многих применений, особенно тех, что требуют точного маневрирования в космосе. Обладая высоким удельным импульсом, ЖРД также более предпочтительны для установки на вторые ступени, выполняющие свою работу в разреженных слоях атмосферы и космическом вакууме.
Подводя итог, можно утверждать, что "пороховые" ракеты, ТТРД не являются устаревшей или "второстепенной" технологией. Они служат важным дополнением к жидкостным технологиям и имеют свое собственное место в космонавтике. Их специфические преимущества делают их важным и надежным инструментом в арсенале ракетостроителей по всему миру.
Еще одно важное применение ТТРД, реактивная система аварийного спасения: