Мы живем в интересное время, когда количество активных проектов сверхтяжелых ракет-носителей уже превысило количество пальцев на одной руке. Государственные космические агентства и частные компании анонсируют свои планы по созданию именно сверхтяжелых ракет, и, хотя большинство должны будут полететь в 2020-х, увидеть первый пуск одной из них мы имеем шансы уже в следующем году. Но в истории космонавтики сверхтяжелые ракеты неоднократно проигрывали, и эти проекты закрывались. Что ждет их сейчас?
Формальное определение
Сейчас сверхтяжелой считается ракета, которая может вывести на околоземную орбиту больше 50 тонн.
Все для Луны
Первые сверхтяжелые ракеты имели одну цель — Луну, и разрабатывались для американской и советской лунных программ. Использование похожих технических решений с отдельным лунным модулем и стыковкой на лунной орбите привело к тому, что и ракеты получились довольно похожими.
«Сатурн V» и «Н-1»
С диаметром больше 10 м («Сатурн V» 10,1 «Н-1» — конус с основанием 16,9 м) и стартовой массой под три тысячи тонн («Сатурн V» 2970 т, «Н-1» 2735 т) эти ракеты были огромными настолько, что сейчас даже находятся люди, сомневающиеся в их реальном существовании.
В США сумели разработать кислородно-водородные двигатели и поставить их на вторую и третью ступени, поэтому грузоподъемность «Сатурна V» получилась примерно в полтора раза больше, чем у «Н-1» (~140 тонн против ~90). «Сатурн V» был настолько специализирован под лунные миссии, что даже сложно сказать, сколько тонн он бы вывел на низкую околоземную орбиту — третья ступень включалась два раза, сначала выводя себя и полезную нагрузку на низкую орбиту, а затем включалась во второй раз и разгоняла «Аполлон» к Луне. Без третьей ступени грузоподъемность «Сатурна V» оказывалась скромнее — масса выведенной на низкую околоземную орбиту станции «Скайлэб» составляет примерно 77 тонн.
«Н-1» же в лунном варианте была аж пятиступенчатой ракетой. Три ступени выводили на околоземную орбиту примерно 90 тонн. Четвертая ступень тратилась на разгон примерно 40 тонн к Луне, а пятая тормозила ~15 тонн орбитального и посадочного кораблей на орбите Луны.
Ничего для Земли?
Программу сверхтяжелой ракеты «Н-1» закрыли в 1974 году после четырех неудачных пусков. Кроме технических проблем ракету убила и политика — ставший главным конструктором В.П. Глушко не мог хорошо относиться к ракете, двигатели для которой он отказался делать десятью годами ранее. С.П. Королев был вынужден обратиться к Николаю Кузнецову, а отношения с Глушко испортились уже навсегда. На вопрос, можно ли было успешно использовать ракету «Н-1», найдись на это политическая воля, сейчас уже невозможно дать ответ. С одной стороны, двигатели НК-33 дорабатывались и испытывались по документам вполне успешно, с другой стороны авария «Антареса» 2014 года, на котором стояли НК-33 из «лунных» запасов прошла по сценарию аварий «Н-1», и сейчас уже не скажешь, конструкция у двигателя неудачная, или же они не могут долго храниться. Но если двигатели не виноваты, а в 70-х годах у СССР нашлась бы политическая воля дать асимметричный ответ американской победе в лунной гонке, «Н-1» могла бы запускать тяжелые орбитальные станции, научные или межпланетные аппараты.
«Сатурн V» политика убила на вершине успеха. Идея запустить орбитальную станцию закрыла «Аполлон-20», а к 71 году та же участь постигла -19 и -18. Сокращение бюджета было настолько резким, уже построенные ракеты и корабли было не на что запустить, и вместо космоса они отправились в музеи. На фоне идеи многоразового шаттла, которая так хорошо смотрелась на бумаге, у «Сатурна V», наверное, не было реальных шансов выжить. «Сатурн V» совершил 13 полетов — два испытательных, десять с людьми к Луне и один с орбитальной станцией на низкую околоземную орбиту.
Эх раз, еще раз
Условное второе поколение сверхтяжелых ракет вертится вокруг идеи многоразовости. И если Спейс Шаттл может вывести на орбиту всего 27 тонн полезного груза, то сам орбитер с крыльями, теплозащитой и семью астронавтами с едой, водой и кислородом весит под сотню тонн — максимальная масса шаттла и полезного груза составляла 122,5 тонны. Логичным было бы создание одноразового грузового модуля под сверхтяжелые нагрузки, и так родился проект Shuttle-C. Вместо большого и тяжелого шаттла на старт поставили бы меньший и гораздо более легкий беспилотный модуль, который, однако, позволил бы вывести в районе сотни тонн.
Проект шел неплохо, успели даже сделать полноразмерный макет, но тут в 1986 году грянула катастрофа «Челленджера». После нее амбиции программы шаттла сильно усохли — была закрыта программа запуска шаттлов с космодрома Вандерберг на полярную орбиту, отменены некоторые технические улучшения. Проект Shuttle-C сумел пережить это, и в 90-х годах в NASA планировали запускать на нем 80-тонные модули марсианского корабля. Но тут случилась катастрофа «Колумбии», и программа Спейс Шаттл лишилась какого то ни было будущего. То, что еще восемь лет выполнялись запланированные полеты, уже не имело никакого значения. В принципе Shuttle-C имел ненулевые шансы стать заменой пилотируемых кораблей — беспилотный вариант мог бы производиться на тех же заводах и не нес рисков гибели экипажа, но, похоже, политики не хотели связываться ни с чем, что бы имело название «шаттл».
В СССР же опять сделали более универсальный вариант — ракета-носитель «Энергия» штатно, без всяких доработок, могла нести одноразовый полезный груз или многоразовый корабль «Буран».
Но здесь не получится найти шансов на альтернативное развитие событий. «Энергию» и многие другие сложные технические системы накрыло обломками Советского Союза, и два успешных полета (один с платформой «Полюс», другой с беспилотным «Бураном») не могли получить продолжения, а созданное для программы «железо» не попало даже в музеи — две собранные ракеты на Байконуре внезапно оказались собственностью Казахстана, простояли девять лет в ангаре и бесславно погибли под обрушившейся крышей.
Зомби не будет
Можно ли оживить «Сатурн V» или «Энергию»? Если немного подумать, то ответ становится ясен. Люди, которые проектировали и делали эти ракеты, и знали какие-то технические особенности, на пенсии или в могиле. Документация по большей части утеряна. Оборудование заводов, на которых делали сотни тысяч различных компонентов, сломалось или безнадежно устарело и выброшено. Да и сами заводы уже не те, что были в 60-х или 80-х. Мы, как человечество, по обе стороны океана, не разучились делать ракеты, но если мы захотим построить сверхтяжелую ракету-носитель, даже с использованием наработок по старым проектам, все равно получится что-то новое. Мы научились делать другие материалы, еще более продвинутую электронику, и слепо повторять старые решения глупо, многое можно улучшить. Поэтому некоторые новые сверхтяжелые ракеты могут использовать модернизированные старые компоненты, и в каком-то смысле будут потомками славного прошлого.
Кривая вывезет
Когда после катастрофы «Колумбии» стало ясно, что проект Спейс Шаттла будет закрыт, возник вопрос, что делать с заводами, компаниями и рабочими, которые были вовлечены в проект. Плюс, возникла идея возвращения на Луну с конечной целью — экспедицией на Марс. А для всего этого желательна сверхтяжелая ракета, чтобы не запускать много раз части корабля и не стыковать их на орбите Земли. Так родился проект Constellation («Созвездие») со сверхтяжелой ракетой Ares V на 188 тонн на низкую орбиту.
В компоновке ракеты вы без труда узнаете наследие Спейс Шаттла — боковые твердотопливные ускорители и характерное теплозащитное покрытие бака первой ступени оранжевого цвета. На первой ступени должны были стоять двигатели RS-25 от шаттла, а на второй ступени — обновленная версия двигателей лунной программы J-2 — J-2X.
Программа двигалась вполне успешно, но после очередных выборов республиканца Буша заменил демократ Обама. И программу «Созвездие» закрыли в 2009 году. Но проблема закрытия заводов и убытков компаний никуда не делась, поэтому проект фактически открыли обратно в 2010, но под другим названием. Теперь это стало называться Системой Космических Запусков — Space Launch System, SLS. На картинках для конспирации даже перекрасили бак первой ступени в белый цвет.
Но время шло, программа развивалась, и конспирацию стало можно не соблюдать — бак на картинках перекрасили обратно.
В целом SLS сильно похожа на Ares V — такие же твердотопливные ускорители по бокам, те же двигатели RS-25 от шаттла на первой ступени. Впрочем, на верхних ступенях двигатель J-2X заменили на RL-10 с разгонного блока Centaur.
С одной стороны, SLS находится в одном из наиболее готовых состояний из всех проектов. Работы ведутся, деньги выделяются, ближайший пуск запланирован на ноябрь 2018, и, даже если он, как это обычно бывает с техникой, съедет вперед на год-два, он все равно может оказаться первым среди конкурентов. С другой стороны, в США на носу новые выборы, и совершенно неизвестно, как будет развивать космонавтику новый президент. К тому же на SLS негативно может повлиять исключительно политическая мотивировка проекта — эту ракету нельзя уменьшить и использовать для коммерческих пусков, она годится только для больших и дорогих миссий к астероиду или Луне. Да и второй пуск ожидается только в 2022, а чем больше расстояние между пусками, тем больше дополнительных проблем и рисков, что очередная новость негативно повлияет на программу.
Две пишем, три в уме
У частной компании SpaceX аж два проекта сверхтяжелой ракеты, а, исходя из очевидных инженерных соображений, их может быть вообще три. В наибольшей степени готовности находится проект Falcon Heavy. Собранная из трех первых ступеней Falcon 9 ракета-носитель должна суметь вывести, по подсчетам SpaceX, 54 тонны на низкую орбиту.
Огромное преимущество Falcon Heavy состоит в том, что он содержит минимум новых деталей — первые ступени Falcon 9, даже с доработками, не будут сильно отличаться от штатных, которые уже летают. Второе преимущество — на пуски Falcon Heavy уже объявлены коммерческие заказы. Впрочем, тут есть очень любопытная ситуация — сверхтяжелая ракета-носитель, которая, как пишут в SpaceX, будет способна выводить на геопереходную орбиту аж 22 тонны, законтрактована для вполне обычных спутников, судя по открытой информации, тонн на 6, то есть будет запускаться с большим недогрузом. Экономическая выгода от такого пуска — вопрос, на который могут ответить только в SpaceX, но они пока не захотели это сделать.
Главной же проблемой Falcon Heavy можно назвать постоянные переносы сроков, изначально ее первый пуск был запланирован аж на 2013 год. Была некоторая надежда на первый пуск в 2016 году, но недавняя авария Falcon 9 поставила крест на этих планах. Остается только надеяться, что пуск не съедет дальше, на 2018.
Но Маск не остановился на одном проекте вполне реализуемой сверхтяжелой ракеты. На недавнем международном конгрессе астронавтики он объявил о совершенно монструозном проекте марсианской ракеты-носителя на 550 тонн полезной нагрузки в одноразовом варианте и 300 тонн в многоразовом.
Реализуемость такого проекта находится за пределами сегодняшних возможностей Маска — это для него слишком дорого и не имеет реальных сценариев коммерческого использования (доставка грузов ракетами — это мечты пионеров ракетостроения, никак не сочетающиеся с экономикой логистики). Но, в то же время, SpaceX недавно успешно испытали новый метановый двигатель Raptor на триста тонн тяги. Хотя его нельзя просто поставить на Falcon 9 вместо кислородно-керосинового Merlin — другие компоненты диктуют другие размеры баков, да и на ракету диаметром 3,7 метра двигатель диаметром 2 метра встает плохо. И тут для Маска наклевывается очень рациональный вариант — с четырьмя двигателями на первой ступени и диаметром, допустим, 4,5 метра получается отличная ракета-носитель стартовой массой в районе 1000 тонн и грузоподъемностью где-то 30-40 тонн на низкую орбиту. Ракета из трех таких блоков выведет 70-100 тонн, а из пяти — в районе 150-200 тонн. Все цифры даны очень приблизительно, потому что очень много неизвестных, но получившиеся параметры впечатляют. На моноблоке можно будет отлично зарабатывать, запуская любые спутники на геостационарную орбиту, а более тяжелые варианты подойдут для амбиций Маска или контрактов с NASA. Но Маск почему-то вместо реалистичной ракеты предпочел анонсировать впечатляющую, но малореалистичную.
Темная лошадка
Другая частная компания, Blue Origin, успешно разрабатывающая ракету и корабль для суборбитального туризма, тоже удивила, объявив о разработке сверхтяжелой ракеты-носителя New Glenn. Ее официальная грузоподъемность пока не объявлена, поэтому приходится гадать. С диаметром 7 метров и тягой двигателей первой ступени в 1700 тонн такая ракета-носитель может вывести на низкую орбиту в районе 100 тонн груза. Главный вопрос, зачем и почему Безос выбрал такую большую ракету, потому что непонятно, как он на ней будет зарабатывать.
Алеет восток
Еще одна темная лошадка — это Китай. Известно, что там ведутся работы по пилотируемой лунной программе, и, соответственно, им будет нужна сверхтяжелая ракета. Известно, что ее рабочее название — «Великий поход 9», первый полет ожидается в 2020-х, а грузоподъемность должна составить примерно 130 тонн. Сделать такую ракету-носитель для Китая, являющегося уже скорее первой экономикой мира, принципиально возможно, вопрос в политическом желании.
Родные пенаты
Работы по созданию сверхтяжелой ракеты-носителя ведутся и у нас. Из «Ангары» сверхтяжелая ракета не получится никак — размер модулей маловат. Поэтому для возможной лунной программы потребовалось бы как минимум 4 пуска. Это не очень эффективно, поэтому проект ракеты-носителя на более тяжелых универсальных модулях висит в воздухе уже давно. Тем более, что технологии самого мощного жидкостного ракетного двигателя РД-170 вполне себе живы в РД-171 для РН «Зенит». Последние лет двадцать пять жизнь «Зенита» отравляли политические проблемы, и она, скорее всего, закончена. Но ракеты похожей размерности, сейчас под названием «Феникс» и «Сункар», выглядят весьма интересно. Один блок тонн на 17, трехблочный вариант тонн на 40 и пятиблочный вариант с большой водородной ступенью тонн на 100 в принципе дадут возможность реализовать полет к Луне одним пуском сверхтяжелого варианта.
Зачем?
А нужны ли вообще сверхтяжелые ракеты? Они имеют одно уникальное достоинство — отсутствие необходимости собирать корабль к Луне или Марсу большим количеством пусков. Но исторически все сверхтяжелые ракеты-носители проигрывали, и их проекты закрывались. Почему — несложно понять. Если у вас есть карьерный самосвал, то вы, конечно, сможете перевезти сотни тонн земли за один рейс, но вам не будет удобно ездить на нем на работу каждый день. На сверхтяжелой ракете не получится заработать — спутники на геостационарной орбите, хоть и растут, но делают это небыстро.
Да, скажете вы, если появится сверхтяжелая ракета, то мы сможем запускать на ГСО огромные спутники на десятки тонн. Но сверхтяжелые ракеты летали и раньше, и за свою, бывало, довольно долгую жизнь, почему-то ни одна из них не дожила до контракта на такой спутник. Мне кажется, здесь будет медленное, а не скачкообразное развитие. А это значит, что сверхтяжелая ракета должна быть универсальной и иметь возможность зарабатывать деньги в более легкой версии.
Источник
