Приветствую вас мои космические друзья!
С самого начала космической эры, многоразовость рассматривалась как необходимость для снижения огромной стоимости ракет-носителей. Изначально считалось, что наиболее простым способом возвращения ракеты из космоса была их вертикальная посадка. Но реальность уравнения Циолковского была такова, что все эти планы были отброшены в пользу ракет-носителей с одноразовыми ступенями, которые были более эффективными и простыми в изготовлении. Более того, технологии 1950-х годов делали невозможной автоматическую посадку первых ступеней ракеты. Неудивительно, что первые проекты по повторному использованию компонентов ракет-носителей включали в себя использование парашютов или крыльев.
Несмотря ни на что, первые проекты многоразовых орбитальных стартовых систем с вертикальной посадкой появились в 1960-х годах. Самыми известными, несомненно, были концепции, созданные инженером Филипом Боно, который работал в корпорации Douglas Space and Missiles Company. Боно разработал серию ракет, способных достигать орбиты с помощью одной ступени (система SSTO ( Single Stage To Orbit )), а также взлетать и приземляться вертикально (система VTOVL ( Vertical Takeoff and Vertical Landing )). Количество космических систем VTOVL/SSTO, предложенных Боно, было очень большим.
Одним из первых подобных проектов была ракета ROOST ( One-stage Orbital Space Truck ), от которой произошли другие, более амбициозные и известные ракеты, такие как ROMBUS ( Reusable Orbital Module Booster and Utility Shuttle ), Ithacus, Hyperion и Pegasus.
О ракете ROOST ранее на канале выходила статья:
Все эти проекты имели общую черту - использование внешних топливных баков для снижения требований к системе, а также её потенциальное военное применения (например, ракета Ithacus должна была служить суборбитальным транспортным средством для переброски войск). Большинство из таких ракет были оснащены двигателями, расположенными по кругу вокруг центрального конуса, – концепция, известная как "aerospike"- "аэроспайк" (клиновоздуушный ракетный двигатель), которая обеспечивает максимальную производительность двигателя на любой высоте.
Более того, это были поистине гигантские космические системы: некоторые из них были способны выводить на низкую орбиту более 450 тонн. Конечно, Боно был не единственным, кто разрабатывал системы вертикального взлёта и посадки (VTOVL). Примерно в то же время известный немецкий инженер Крафт Эрике из компании General Dynamics разработал ракету Nexus – огромную 121-метровую ракету, способную выводить 900 тонн полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту.
Начиная с 1965 года, компания Boeing предложил амбициозные тяжёлые системы вертикального взлёта и посадки (VTOL), известные под общими обозначениями MLLV ( Multipurpose Large Launch Vehicle ) и AMLLV ( Advanced Multipurpose Large Launch Vehicle ), с грузоподъёмностью на низкой орбите от 900 до 1800 тонн. Целью этих колоссов был вывод на орбиту элементов солнечных орбитальных станций, строительство которых в 1970 году казалось панацеей для решения энергетических проблем человечества. Компания Martin Marietta, в свою очередь, предложила носитель RENOVA — систему вертикального взлёта и посадки, которая использовала бы прямоточные воздушно-реактивные двигатели для уменьшения начальной массы при старте.
Еще одним проектом Филипа Боно был проект ракеты SASSTO ( Saturn Application Single-Stage-To-Orbit ), меньшая, более реалистичная концепция — или, скорее, серия концепций — которая использовала технологию третьей ступени S-IVB ракеты "Сатурн-5". Проект носителя SASSTO послужил источником вдохновения для многих других проектов 1970-х и 1980-х годов, среди которых следует выделить проекты BETA, Phoenix и SERV.
Носители серии Phoenix, некоторые из которых были пилотируемыми, использовали криогенное топливо (жидкий водород и кислород) для повышения производительности всей системы, поэтому на них должны были быть установлены ракетные двигатели RL-10 или J-2.
Ракета SERV ( Single-stage Earth-Orbital Reusable Vehicle ) была разработкой инженера Чарльза Тарратта из корпорации Chrysler. Проект носителя SERV был частью финансируемого НАСА исследования по поиску альтернатив космическому челноку. Она должна была иметь двигатель "аэроспайк" и имела характерную приплюснутую форму, из-за которой она была больше похожа на капсулу «Аполлона», чем на ракету.
В 1972 году в Центре Маршалла НАСА родился проект ATV ( Aerospace Test Vehicle , позже переименованный в Aerospike Test Vehicle ). Этот носитель, разработанный инженером Джорджем Детко, был похож на ракету Phoenix, но был значительно меньше, и практичнее, его двигатель "аэроспайк" также работал на криогенном топливе. Именно в середине 1980-х годов концепция Phoenix пережила второе рождение, на этот раз с использованием криогенных клиновоздушных двигателей типа "аэроспайк".
Ни один из этих проектов так и не увидел свет, главным образом из-за своей чрезмерной амбициозности и дороговизны. Более того, было очевидно, что технологии того времени делали многоразовые системы вертикальной посадки чрезвычайно сложными, поэтому большинство разработчиков предпочитали более традиционную горизонтальную посадку. Но в 1990-х годах появились первые сомнения в традиционном представлении о многоразовости космических систем.
После того, как "Спейс Шаттлу" не удалось снизить стоимость вывода полезной нагрузки в космос, возобладало мнение, что будущие ракеты должны быть более многоразовыми, чем "Спейс Шаттл", но при этом более простыми в изготовлении. И как можно было совместить эти два противоречивых требования - использовать технологии SSTO и VTOVL.
Первым реальным проектом по разработке многоразовой ракеты с вертикальной посадкой стала компания McDonnell Douglas с ее проектом DC-X Delta Clipper. Проект зародился в 1991 году, когда Управление стратегических оборонных инициатив (SDIO), более известное как "Звёздные войны" , решило заключить с McDonnell Douglas контракт на 58,9 миллиона долларов на создание полностью многоразовой одноступенчатой ракеты, способной регулярно выводить на орбиту небольшие военные грузы.
Delta Clipper должна была быть ракетой высотой 38,7 метров, сухой массой в 35 тонн, способной вмещать до 425 тонн жидкого водорода и кислорода. Ракета должна была использовать от 10 до 12 двигателей, расположенных вокруг центрального конуса, по схеме "аэроспайк". Как и у всех одноступенчатых ракет, грузоподъемность носителя была бы скромной, порядка 10 тонн. На самом деле, проект Delta Clipper не родился на пустом месте, он был продолжением более раннего проекта SSX ( Spaceship Experimental ) Максвелла Уайта Хантера, предложенный им в конце 1980-х годов после катастрофы шаттла "Челленджер".
Важным нововведением по сравнению с предыдущими концепциями стало то, что космический аппарат должен был входить в атмосферу носом вперед, используя форму своего корпуса для маневрирования при возвращении. Только спустившись до высоты около шести километров, аппарат мог вернуться в вертикальное положение для посадки. Компания McDonnell Douglas даже планировала пилотируемые миссии с использованием специальных модулей для астронавтов.
Delta Clipper был очень амбициозным аппаратом для своего времени, поэтому компания решила сначала построить прототип DC-X, который был в три раза меньше изначального проекта. DC-X имел размер 14 x 4,1 метра и массу в 16,3 тонны, в качестве силовой установки на нем должны были быть установлены четыре модифицированных криогенных двигателя RL-10A-4 (RL-10A-5). Целью проекта было испытание технологий, связанных с вертикальной посадкой, для окончательной доработки конструкции Delta Clipper. Некоторые из компонентов, например, водородные баки из композитных материалов, оказались значительно сложнее в изготовлении, чем ожидалось.
DC-X трижды поднимался в воздух в период с августа по сентябрь 1993 года с авиабазы Уайт-Сэндс, достигнув максимальной высоты 870 метров, но испытания прототипа были отменены из-за нехватки бюджета. После получения финансирования, между 1994 и 1995 годами прототип совершил еще пять полетов, впервые доказав возможность вертикальной посадки ракеты после ее взлета. В 1995 году НАСА взяло на себя финансирование проекта, и таким образом родился проект DC-XA ( Clipper Advanced/Clipper Graham ), который включал улучшения первоначальной конструкции, в том числе бак с жидким кислородом, поставляемый российской корпорацией РКК «Энергия». К сожалению, он совершил только три полета. После двух первоначальных испытаний, в ходе которых прототип достиг высоты более трех километров, 31 июля 1996 года прототип был разрушен, когда он упал при приземлении на бок и взорвался из-за того, что одна из стоек шасси не раскрылась.
Преемник этого космического аппарата, получивший обозначение DC-X2, не был создан, как и DC-Y – действующая орбитальная система, которая должна была стать первым шагом перед созданием Delta Clipper.
Прототип DC-X/Delta Clipper служил для демонстрации технологии, но не более того. Системы SSTO вышли из моды к концу 1990-х годов, в основном из-за огромных технических сложностей их реализации, и ограниченной грузоподъемности. Однако перед этим был еще один, довольно странный проект под названием Roton. Этот аппарат, созданный Гэри Хадсоном и Бевином МакКинни из компании Rotary Rocket, был прототипом системы SSTO/VTOVL, напоминающей Delta Clipper, но вместо посадки с помощью двигателей ракета использовала лопасти вертолета. Эта идея, предлагалась несколько раз на протяжении всей истории освоения космоса. Был построен всего один прототип под названием ATV, который поднимался на высоту до 23 метров. Компания Rotary Rocket прекратила свое существование в 2001 году из-за нехватки финансирования, и Roton больше никогда не поднимался в воздух.
Итак, мы добрались до совсем недавнего прошлого - к попытками таких компаний как SpaceX и Blue Origin создать систему вертикального старта и посадки. Теперь компании ставили перед собой цель — создать многоразовую первую ступень ракеты для снижения эксплуатационных расходов. Компания SpaceX с самого начала пыталась создать многоразовую первую ступень ракеты-носителя Falcon 9 для запусков полезной нагрузки на орбиту, в то время как Blue Origin решила начать с суборбитальных полётов и космического туризма.
Помимо тестирования системы возвращения первой ступени во время обычных орбитальных полетов, SpaceX также тестировала технологию вертикальной посадки в ходе полетов прототипов Grasshopper 1 и 2, которые достигали высоты полета в 1 километр.
23 ноября 2015 года компания Blue Origin стала первой компанией, успешно осуществившей вертикальную посадку ступени ракеты после суборбитального полета на высоту более 100 километров. Одноступенчатая ракета-носитель New Shepard совершила посадку с помощью двигателя BE-3 работающего на криогенном топливе.
Наконец, 22 декабря, всего месяц спустя, первая ступень ракеты Falcon 9 FT компании SpaceX успешно приземлилась на посадочную площадку на мысе Канаверал .
Так началась новая эра, в которой вертикальная посадка ступеней ракет, уже не является чем-то из области научной фантастики. Ну а на подходе полностью многоразовая космическая система "Старшип" от компании SpaceX. Посмотрим что же выйдет этого амбициозного проекта.
Спасибо за внимание!