Полеты многоразовых первых ступеней ракеты-носителя Falcon от SpaceX вызвали всплеск интереса к многоразовым ракетам. И если, например, китайская компания LinkSpace демонстрирует рендеры похожей системы с посадкой на двигателях на раскладные опоры, то другие конструкторы предлагают системы на иных принципах, используя крылья или воздушный подхват. Некоторые проекты уже успели закрыться, но есть и свежеанонсированные.
Технологический демонстратор Adeline
В 2015 году появились новости о том, что Airbus Defence and Space разрабатывают многоразовый модуль Adeline, представляющий из себя крылатый блок с ракетным двигателем первой ступени, а также воздушными двигателями и пропеллерами для выполнения посадки на взлетно-посадочную полосу. Нагляднее всего концепцию иллюстрирует видео, уже недоступное на официальном канале, но сохраненное обычными пользователями.
Идея спасать только хвостовую часть ракеты имеет свои плюсы — двигатели, авионика и оборудование хвостового отсека составляют, по оценкам разработчиков Adeline, 80% стоимости ступени, а спасать их гораздо проще, чем большую ступень целиком. Также экономится топливо, и отсутствуют перегрузки, испытываемые ступенью при посадке на двигателях. Но, конечно, у всего есть цена — выигрыш в экономии топлива будет частично съеден потерями на дополнительную массу от крыльев.
Хвостовая часть Adeline предлагалась для использования в Ariane 6, хотя, теоретически, могла быть доработана под другие носители. Когда о проекте было официально объявлено, оказалось, что работы ведутся с 2010, и уже были проведены успешные испытания масштабных моделей. После громкого анонса обилия новостей по проекту не было — приоритетом Airbus Defence and Space является новая ракета-носитель Ariane 6. А в 2018 году появилась информация, что проект не вызвал интереса по финансовым соображениям.
Германский центр авиации и космонавтики, входящий в ЕКА, 20 марта этого года объявил о начале работ над концептом крылатой ракетной ступени, которая будет ловиться и буксироваться самолетом-носителем. Проект получил название FALCon (Formation flight for in-Air Launcher 1st stage Capturing demonstration, «Полет в строю для демонстрации подхвата первой ступени носителя»), за исключением регистра букв совпадающий с названием ракеты-носителя Falcon SpaceX. Из-за совпадения названий руководителю проекта Мартину Сиппелю (Martin Sippel) пришлось пояснять, что инженеры вдохновлялись соколом, пикирующим для того, чтобы схватить жертву, а не ракетой SpaceX.
Схема работы FALCon, иллюстрация DLR
Посадка ракетной ступени на двигателях имеет серьезный недостаток — приходится отделять ступень, когда в ней остается еще немало топлива, которое затем расходуется на посадку. Хуже того, из-за эффекта Оберта именно это топливо наиболее ценно для разгона полезной нагрузки. В случае FALCon планирующий спуск позволит тратить все топливо из баков — до посадки ступень будет тянуть самолет-буксировщик. Но, конечно, этот выигрыш, как и у Adeline, будет съеден увеличившейся массой ступени из-за добавленных крыльев.
Важным элементом системы будет конструкция для подхвата и буксировки ступени. Инженеры упоминают конструкцию управляемого стыковочного/буксировочного конуса.
Управляемый стыковочный/буксировоч
8000
ный конус
Привычные нам конусы самолетов-заправщиков неуправляемые — пилоты заправляемых самолетов сами ловят их, маневрируя своими аппаратами. Это небыстрое и непростое дело, поэтому для планирующей с выключенными двигателями ступени управляемый конус должен заметно облегчить задачу. Но кроме этого доработки для самолета-буксировщика почти не требуются, и в этом качестве можно будет использовать обычные пассажирские самолеты, причем б/у для пущей экономии средств.
Работы по FALCon находятся в самом начале, и, как и в случае Adeline, сначала испытания будут проводиться с беспилотными крылатыми летательными аппаратами, а не ракетами. На проект пока что выделено 2,6 миллиона евро, это немного, но на первые эксперименты хватит. Сроки у проекта достаточно длительные — летной годности система должна достигнуть в районе 2028, чтобы, возможно, быть использованной в ступени нового поколения, которая может появиться в районе 2035.
Ступень Falcon 9 для посадки выполняет целых три включения двигателя — boostback burn, при котором ступень прицеливается в район посадки, entry burn, тормозящий ступень, чтобы она не перегрелась, и финальное посадочное включение. На всех трех расходуется драгоценное топливо, и, несмотря на то, что парашюты не могут обеспечить точной посадки, они весили бы меньше, чем необходимый на эти маневры запас топлива. Идею использовать парашюты и вертолетный подхват собирается реализовать провайдер пусковых услуг ULA в своей разрабатываемой ракете-носителе Vulcan. Хвостовой отсек первой ступени должен будет сбрасываться, раскрывать сверхзвуковой парашют для торможения в плотных слоях атмосферы, сбрасывать его, раскрывать управляемый парашют-крыло, подхватываться вертолетом, доставляться на землю, тестироваться и использоваться повторно.
Схема ULA
В видео:
Последние новости по проекту относятся к началу августа 2018, когда ULA получил от NASA 1,9 миллионов долларов на демонстрацию технологии воздушного подхвата объекта, вернувшегося с орбиты.
Прометей и Каллисто
Французский Национальный центр космических исследований (CNES) тоже занимается экспериментами с многоразовостью. «Каллисто» — технологический демонстратор суборбитальной многоразовой ступени с ракетной посадкой, сравнимый с Grasshopper от SpaceX, однако отличающийся кислородно-водородным двигателем.
Кадр презентации CNES
В дальнейшем из этого может вырасти полноценная ракета-носитель, но нескоро — приоритетом CNES является сначала снижение стоимости разрабатываемых ракет-носителей, а потом уже возвращаемые ступени. Подход очень здравый, напомню, что Маск сначала предложил конкурентоспособный одноразовый Falcon 9, стал получать заказы, а только потом занялся его превращением в многоразовую ракету.
Еще одно направление работ CNES — метановый двигатель «Прометей». Используя новые технологии, в том числе 3D-печать, его собираются сделать в 10 раз дешевле двигателя центрального блока (второй ступени) Ariane 5. Если все пойдет хорошо, двигатель будет использован в новой модификации Ariane 6 или следующей ракете ЕКА.
Двигатель «Прометей», изображение CNES
Эксперименты с разными многоразовыми ракетами можно только приветствовать фразой китайского императора Цинь Шихуана (которую затем повторно использовал Мао Цзедун): «Пусть расцветают сто цветов, пусть соперничают сто школ». У каждого технического решения есть свои плюсы и минусы, и пусть практика покажет, какой вариант окажется лучше.
