Наша «Корона»: как отечественные инженеры обогнали время
Мы много знаем об американских разработках многоразовых ракет-носителей, Илон Маск и SpaceX не сходят с газетных страниц. В то же время в России есть не менее интересные проекты многоразовых ракет, остающиеся малоизвестными и, увы, нереализованными. «Известия» разбираются в их истории.
Тренд на многоразовость
В общей цене космического запуска современной ракеты-носителя большую часть стоимости занимает сама ракета. Двигатели, корпус, рули управления, топливные баки, всё это улетает навсегда и, увы, сгорает в плотных слоях атмосферы, делая космический запуск очень и очень дорогим. Не топливо, не монтажные работы и обслуживание космодрома, а именно стоимость самой ракеты — основная статья расходов. Невероятно сложная и дорогостоящая система используется считанные минуты, после чего выбрасывается.
Поэтому самый напрашивающийся способ сократить затраты на космические запуски — это возвращаемые ракеты-носители. Даже частичное возвращение первой ступени, несмотря на транспортные расходы, а также расходы и время на проверку двигателей и других устройств делает запуск дешевле. Насколько? Это сильно зависит от количества запусков и того, насколько отработана система.
Первым реализовал эту возможность американский миллиардер Илон Маск, реализовав частичную возвращаемость первой ступени ракеты-носителя Falcon 9. Сейчас это уже свершившийся факт, а до того, как компании SpaceX удалось задуманное, очень многие специалисты сомневались в возможности реализации этого решения. Первая ступень выводит вторую ступень на достаточную высоту, после чего возвращается и осуществляет посадку, используя для торможения собственные двигатели.
Запуск ракеты-носителя Falcon 9
Только череда удачных запусков ракеты и посадок первой ступени показали всему миру, что многоразовость ракет «классической» схемы — это не фантастика и может быть реализована при современном уровне развития техники. Уже в 2017 году. После чего началась череда заявлений и новостей по всему миру о начале проектов с использованием частичной многоразовости и возвращении боковых ускорителей и первой ступени на землю обратно. Не остался в стороне и «Роскосмос».
Самое интересное, что идеи многоразовых ракет-носителей высказывались в советской, а затем и российской космонавтике гораздо раньше, чем это начал реализовывать Илон Маск. Практическую реализацию этого предполагалось сделать уже на блоках первой ступени сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия». Их предполагалось возвращать на землю как парашютным, так и «самолетным способом». Соответственно испытывались и сертифицировались двигатели РД-170, ресурс которых должен был составлять 25 полетов.
Была и другая российская разработка, мало известная широкой публике. Это проект «Россиянка» , за авторством ОАО «Государственный ракетный центр имени академика В. П. Макеева», в основном известного своими военными разработками в ракетной отрасли. Именно они разработали большинство баллистических ракет для подводных лодок, включая и стоящие на вооружении сейчас Р-29РМУ «Синева».
«Россиянка» — это двухступенчатая ракетная система, в которой первая ступень многоразовая. Всё практически так же, как и у SpaceX, только на несколько лет раньше. Даже выводить на НОО она должна была близкие к показателям Falcon 9 — 21,5 тонны полезной нагрузки. Краткое резюме проекта можно и до сих пор увидеть на сайте центра.
Что еще более обидно, у центра имени Макеева наверняка хватило бы компетенций и возможностей для создания этого проекта. Основная проблема одна — отсутствие финансирования. 12 декабря 2011 года ГРЦ им. Макеева представил РН «Россиянка» на конкурсе «Роскосмоса» по созданию многоразовых носителей (да, и даже конкурс проводился раньше Маска). Но увы, по результатам конкурса заказ ушел ГКНПЦ им. Хруничева с проектом «Байкал-Ангара».
Это самолетный вариант возвращения первой ступени. Предполагается, что после вывода на высоту и отделения у первой ступени будет открываться специальное крыло, ступень будет осуществлять полет по самолетному и садиться на аэродром при помощи выпущенных шасси, как и положено самолету. Система очень сложная и дорогая. У нее лишь один серьезный плюс: она может вернуться с большого расстояния. Увы, к настоящему времени проект не реализован, иногда его вспоминают, говоря о возможном использовании в разрабатываемой сейчас ракете «Союз-5», но не более того.
Но увы, как обычно и получается — нет пророка в своем отечестве. Многоразовые наработки советской и российской космонавтики не получили достаточного внимания и финансирования, не были доведены до конца, и первенство в реализации досталось американской частной компании.
Полная многоразовость
Сейчас ситуация в мире повторяется на новом технологическом витке. Илон Маск занимается разработкой сверхтяжелой ракеты-носителя Big Falcon Rocket. Она будет иметь нехарактерную для современной космонавтики двухступенчатую архитектуру, при этом вторая ступень представляет собой одно целое с космическим кораблем, пассажирским или грузовым.
Предполагается, что первая ступень Superheavy будет выводить всю конструкцию на высоту, после чего отделяться от нее и возвращаться обратно на космодром, совершая вертикальную посадку при помощи своих двигателей. Вторая же ступень вместе с космическим кораблем, называемая Starship, будет выходить на орбиту. При этом топлива и окислителя в ней будет оставаться еще достаточно для того, чтобы после завершения космической миссии затормозить в плотных слоях атмосферы, а затем сесть на морскую платформу.
Получится это или нет, пока непонятно. Но в случае полной реализации это станет первой полностью возвращаемой космической системой в мире. Предполагается, что время между полетами первой ступени Superheavy будет сокращено всего до суток, за счет полета прямо на космодром и уменьшения времени на послеполетную проверку. Фантастика? Да нет, когда-то считалось, что после каждого полета самолета с реактивным двигателем придется тратить уйму времени на проверку работоспособности перед следующим полетом. Сейчас же эта проблема решена.
По итогу, в случае реализации Big Falcon Rocket между запусками останется только поставить на севшую на место ступень Superheavy новый Starship, проверить работоспособность всех систем и заправить баки жидким метаном и кислородом. Этот проект станет гораздо ближе к самой давней и главной мечте всех космических конструкторов — одноступенчатой возвращаемой ракетной системе.
Именно так, как рисовали и мечтали в 40-х годах прошлого века — ракета взлетает с космодрома, выходит на орбиту, после чего возвращается и садится на собственные двигатели.Очень красивую иллюстрацию этих мечтаний можно увидеть в советском фильме 1959 года «Небо зовет».
Увы, но для этого требовались решения, недоступные в те времена. Недостаточная мощность и эффективность двигателей, отсутствие требуемых композиционных материалов, невозможность создания бортовой аппаратуры системы управления, способной на возвращение и точную посадку в требуемой точке. Лишь в 90-е годы прошлого века конструкторы вновь стали прикидывать возможность создания одноступенчатой возвращаемой ракеты-носителя. И опять сейчас речь идет о Государственном ракетном центре имени академика В. П. Макеева.
За свои деньги, без внешнего финансирования они создали проект возвращаемой одноступенчатой ракеты, если быть точнее, то это уже многоразовый космический корабль. Предполагается, что КОРОНА («Космическая одноразовая ракета, одноступенчатый носитель аппаратов» сможет выводить на низкую околоземную орбиту до 7 тонн полезной нагрузки и возвращаться обратно как одно целое, без сложнейшего разделения ступеней.
К такому решению разработчики шли достаточно долго. Тут как никогда работает одно из следствий «формулы Циолковского». В упрощенном виде его можно сформулировать так: «Чем больше итоговый вес, выводимый на орбиту, тем больший требуется запас топлива, больше размеры и масса емкостей для его хранения, больше масса несущих элементов конструкции, мощнее (следовательно, массивнее) двигательная установка». В случае с обычными многоступенчатыми ракетами на орбиту выходит лишь последняя ступень и полезная нагрузка. В случае с одноступенчатой ракетой выводить придется всё вместе, да еще и с запасом топлива на возвращение.
Именно поэтому начальная масса такой конструкции будет велика. Как говорят сами создатели, используя даже лучшие современные материалы, невозможно построить одноступенчатую ракету массой менее 60−70 тонн, при этом полезная нагрузка у нее будет совсем невелика. Последние версии КОРОНЫ предполагают массу ракеты около 300 тонн, при этом вывод на орбиту всего 7 тонн, что очень немного по современным меркам.
Предполагается, что подобная система может стать экономически эффективной только за счет большого количества запусков и посадок. Кроме прочего, в КОРОНе должна быть реализована сложная двигательная система. Разработчики предлагают использование высокоэффективного жидкостного реактивного двигателя, работающего на водороде и кислороде. Ведь он должен работать на разных высотах и в очень разных условиях, как в нижних слоях атмосферы, так и в космосе.
Увы, к настоящему времени КОРОНА так и не вышла за рамки проекта. В 2018 году в январе был всплеск внимания к проекту, связанный с выступлением разработчиков на научных королевских чтениях, где они представили доклад, посвященный своей разработке. Как говорилось в тезисах к докладу: «Проведены технико-экономические исследования и разработан эффективный график разработки ракеты-носителя. Исследованы необходимые условия создания ракеты-носителя и проанализированы перспективы и результаты как разработки, так и эксплуатации предлагаемого средства выведения».
После этого вновь тишина, и судя по всему, отсутствие финансирования. В то же время Илон Маск, пусть и не с первого раза (в первый раз конструкцию разрушило ветром) создает Starhopper — макет второй ступени будущей ракеты Big Falcon Rocket, с помощью которого компания сможет отработать использование двигателей во взлетном и посадочном режиме. Starhopper будет совершать небольшие атмосферные «подпрыгивания», а затем садиться при помощи своих двигателей.
В случае прохождения удачных испытаний ожидается, что уже летом 2019 года SpaceX покажет строящийся тестовый образец ракеты. Впереди у американцев очень длинная и сложная, полная проблем и вызовов дорога. Но если они пройдут ее, то нам, как и в прошлый раз, останется только разводить руками и обиженно говорить, что спроектировали-то мы раньше, только не хватило денег и сил реализовать. И это будет очень обидно.
