Статья: Вы находитесь здесь

30 марта в 22:27 UTC, когда в Москве было почти полвторого ночи 31 марта, с исторического пускового комплекса LC-39A Космического центра имени Кеннеди на мысе Канаверал во Флориде, откуда в своё время улетали к Луне «Аполлоны», стартовал носитель Falcon-9 FT. В его составе впервые в истории мировой космонавтики ракетная ступень с жидкостными двигателями отправилась в космическую миссию повторно (первый полёт CRS-8 с грузовым кораблём Dragon состоялся 8 апреля 2016 года). Ракета компании SpaceX успешно вывела на орбиту спутник связи SES-10, а первая ступень — «ветеран» — совершила мягкую посадку на автоматическую баржу «Of Course I Still Love You».

⇡#Страхи, страховка и запуск

Оценить «эпохальность» события можно было по той реакции, которую выказывали электронные и печатные СМИ. Ещё бы! «Маск планирует (а по мнению многих, и совершает) революцию в деле осуществления космических транспортных операций: он повторно использует в составе ракеты-носителя ступень, которая уже один раз выполнила свою задачу по запуску спутника, благополучно вернулась на землю, была спасена и восстановлена».

Официально основной задачей миссии объявлялось выведение на геостационарную орбиту спутника связи SES-10. Однако все понимали, что этим полётом SpaceX планировал продемонстрировать возможность многократного применения первой ступени после возвращения из космоса. Вспомогательной задачей считалась посадка ступени (после выполнения основной задачи) на телеуправляемую баржу, находящуюся в море по траектории пуска. В качестве бонуса планировалась попытка спасения створок головного обтекателя.

Ветераны ракетно-космической техники утверждали, что «заказчик запуска ни за что на свете не пойдёт на повторное использование б/у матчасти, тем более на самом напряженном участке выведения». Однако же SES S.A. — глобальный спутниковый оператор со штаб-квартирой в Люксембурге — не только пошёл, но и своей поддержкой позволил компании SpaceX выполнить первый повторный пуск ракеты с реальной («живой») полезной нагрузкой, а не с макетом, как предлагали некоторые.

«Будучи первым коммерческим оператором спутниковой связи, осуществившим миссию с компанией SpaceX ещё в 2013 году, мы рады вновь стать первыми в повторном полёте в космос, — заявил технический директор SES Мартин Халливелл (Martin Halliwell). — Мы считаем, что многоразовые ракеты откроют новую эру космических полётов, сделав их более доступными и менее затратными».

После триумфального возвращения ракетной ступени с бортовым номером 1021 почти год назад, специалисты SpaceX провели подробный анализ состояния данного ракетного блока. Больше всего их волновали двигатели — восемь «Мерлинов-1D», собранных по кольцу вокруг девятого, центрального. Для повторного использования ступени были важно иметь 100%-ную уверенность в их исправности после нескольких циклов работы, а также из-за влияния термодинамических нагрузок в ходе возвращения в атмосферу с траектории выведения.

За всю свою жизнь — вплоть до сегодняшней ночи — первая ступень №1021 «проверялась огнём» неоднократно и в итоге до второго пуска наработала шесть включений-выключений двигательной установки (из них три — в первом полёте).

«Мы не ремонтировали эти двигатели, мы хотели лишь поменять некоторые прокладки… — сообщили техники в конце января 2017 года перед огневыми испытаниями на стенде SpaceX в МакГрегоре, штат Техас. — Но конкретно эти двигатели мы просто сняли, протестировали, поставили обратно и прямо сейчас прожигаем».

Следует отметить, что представители SES участвовали в подготовке к данному пуску в течение последних нескольких месяцев. По словам Халливелла, «SpaceX дал инженерам SES… «полную прозрачность» в своих действиях, позволил заглянуть в процесс подготовки двигателей и бортовой радиоэлектроники, а также ознакомиться с результатами испытаний».

Удивляло и то, что страховая премия для первого полёта «использованной» ступени не была повышена, словно все понимали, что внимание к этому пуску особенное и SpaceX ставит на карту многое. Вследствие этого уровень подготовки миссии будет беспрецедентно высоким. По мнению наблюдателей, «по расчётной надежности носитель не будет сильно ниже предшествующих».

Что же касается роста страховки, то «можно говорить о сотых долях процента, — отметил Халливелл. — По сути, никаких изменений в страховой премии не произошло».

Итак, огромную — 70 м высотой — «макаронину» Falcon 9 FT установили в пусковое устройство вечером накануне пуска. Длительность стартового окна составляла 150 минут. Под головным обтекателем ракеты находился SES 10 — спутник связи, изготовленный европейским консорциумом Airbus Defense and Space для трансляции телевизионных программ и передачи данных с геостационарной орбиты по всей Латинской Америке.

Таймлайн, указанный ниже, описывает расчётную циклограмму запуска для первой миссии SpaceX с ранее уже летавшей, спасённой и восстановленной первой ступенью ракеты.

Девять двигателей первой ступени ракеты включились за пару секунд до старта для проведения автоматической проверки работоспособности. После теста удерживающие зажимы отпустили ракету, и Falcon 9 поднялся с площадки LC-39А и лёг на траекторию полёта.

Вскоре были последовательно пройдены звуковой барьер и зона максимального аэродинамического давления. Отработав положенные 158 секунд, двигатели первой ступени выключились, и через три секунды ступени разделились.

После включения единственного двигателя второй ступени, когда носитель уже вышел из плотных слоёв атмосферы, был сброшен огромный углепластиковый головной обтекатель диаметром 5,2 м.

Когда двигатель второй ступени ещё работал, первая ступень выполнила «кувырок», раскрыла решетчатые аэродинамические рули в передней части и на 20 секунд включила три из девяти двигателей на торможение, чтобы замедлить скорость входа в атмосферу и создать вокруг хвостовой части газодинамический «колокол».

Последнее включение центрального двигателя для мягкой посадки произошло непосредственно перед приземлением: ступень шла на баржу, находящуюся в Атлантическом океане примерно в 340 милях (550 км) к востоку от мыса Канаверал. В этот момент телетрансляция прервалась, но зал управления взорвался овацией, когда на экране возникла ступень, стоящая на «ножках» на палубе судна-дрона.

В это самое время вторая ступень завершала достижение промежуточной низкой орбиты. Двигатель выключился, и начался короткий 18-минутный пассивный участок траектории («баллистическая пауза»).

После этого последовало короткое включение Илона Маска, который рассказал о «гигантской революции в космических полётах» и поздравил коллег с победой, которую все так долго ждали.

Затем Merlin 1D Vacuum заработал вновь и перевёл ракету на высокоэллиптическую орбиту с апогеем вблизи геостационара. Спутник отделился от второй ступени через 32 минуты после старта.


⇡#Разбор полётов

Насколько исторически значимым событием стал повторный полёт ракетной ступени? Мнения по этому вопросу разделились ещё до миссии. Кто-то считал это прорывом в средствах выведения, который кардинально снизит стоимость доступа в космос. Кто-то думал по-другому, называя эксперименты SpaceX «шоу и цирком», не имеющим ничего общего с технической и экономической целесообразностью.

Но объективный взгляд предполагает взвешенность. В истории космонавтики на практике была подтверждена техническая реализуемость многократного использования твердотопливных стартовых ускорителей в орбитальных запусках (Space Shuttle) и жидкостных ракетных блоков в суборбитальных полётах (New Shepard компании Blue Origin). Маск первым решил техническую задачу повторного применения жидкостной ступени орбитального носителя, осложнённую используемыми компонентами топлива (при сжигании керосина в жидком кислороде в агрегатах двигателя выпадает сажа, причиняющая множество серьёзнейших неприятностей). Это значительное достижение с технической точки зрения.

Однако многоразовость нужна для снижения затрат. А здесь всё не так однозначно. На ремонт, восстановление и тестирование уже летавшей ступени SpaceX затратил не менее четырёх месяцев и неизвестную сумму денег. И повторное использование имеет смысл, если затраты на «межполётное обслуживание» не превысят экономии на изготовлении новой ступени. Говорят, заказчику запуска SES-10 обошёлся примерно в $ 40 млн — на треть меньше стандартного ценника. Это специальная цена с учётом возможных рисков. Сможет ли Маск удержаться на таком показателе при повторном использовании первых ступеней в регулярной эксплуатации – большой вопрос. Осторожные эксперты предсказывают возможное снижение прайса процентов на десять. А это не те цифры, которые «кардинально» снизят стоимость космических запусков. Иными словами, Маск доказал техническую возможность повторного использования ракетной техники, а доказать экономическую целесообразность ещё предстоит.

Тем не менее Халливелл заранее сообщил, что если данный запуск будет успешным, в конце этого года его компания сможет запустить ещё два спутника — SES 14 и SES 16 — на ранее использованных ускорителях. «Следующий аппарат, назначенный компании SpaceX, — SES 11 — полетит этим летом на недавно запущенной ракете», — сказал он.

Кроме того, по его словам, переход к многоразовым ракетам вряд ли будет отменён даже в случае аварии.

⇡#Сравнение

Чтобы точнее понять, каких же новых высот достиг Маск, подробнее разберемся с возможными вариантами спасения нижних (первых) ступеней ракет-носителей. К настоящему времени довольно детально изучено три основных способа:

1. Вертикальное парашютирование (в случае необходимости — с применением ракетных двигателей мягкой посадки на последнем этапе).
2. Горизонтальное планирование с использованием крыльев или планирующих парашютов.
3. Вертикальная реактивная посадка на основных или вспомогательных ракетных двигателях.

Основным достоинством указанных способов можно считать то, что они позволяют создать систему (нижнюю ступень) с многократным использованием материальной части в составе ракетно-космического комплекса, а это в два-три раза (в зависимости от кратности применения) снижает затраты на запуск полезной нагрузки.

Основные недостатки способов сводятся к усложнению и удорожанию разработки, изготовления, испытания и эксплуатации ступени, увеличению её «пассивной» массы, что в результате может привести не к падению, а к росту удельной стоимости запуска полезной нагрузки.

⇡#Парашютная и парашютно-реактивная посадка

К настоящему времени успешно реализована только в системе Space Shuttle для возвращения стартовых твердотопливных ускорителей при посадке на воду, а также рассматривалась для спасения боковых блоков первой ступени ракеты-носителя «Энергия» (до практической реализации не доведена). Попытки спасения первых ступеней ракеты-носителя Falcon-1 с помощью парашюта оказались неудачными. Следует также вспомнить отдельные эксперименты по спасению ускорителей ракеты-носителя Ariane-5. Теоретически изучался способ вертолётного подхвата парашютирующих блоков ракеты-носителя «Ангара».

Достоинства парашютной посадки:

1. позволяет использовать земную атмосферу для гашения остаточной скорости после разделения первой и второй ступеней;
2. относительная простота реализации для прочных и устойчивых систем типа твердотопливных ускорителей;
3. сравнительно небольшие затраты массы для них же.

Недостатки:

1. большие площади куполов, штатное раскрытие которых превращается в трудно решаемую проблему при массе возвращаемых грузов (в данном случае — отработавших ступеней) свыше 20-30 т;
2. невозможность обеспечить точную посадку из-за воздействия ветра и других атмосферных возмущений, а также отсутствия органов активного управления приземлением (для дисковых и купольных парашютов);
3. сравнительно большие затраты массы для непрочных жидкостных ракетных блоков из-за необходимости установки дополнительных средств (двигатели мягкой посадки, посадочные опоры, элементы повышения жесткости) для гашения скорости и перегрузки на последнем этапе приземления. Так, для блока А ракеты-носителя «Энергия» масса средств спасения и посадки составляла значительную часть конечной массы, что приводило к росту стоимости разработки и постройки системы. Блок А в одноразовом варианте без средств спасения имел массу на 60% меньше, кроме того, стоимость многоразового блока А в 1990 году составляла 18 млн. руб в то время как пуск ракеты-носителя «Зенит», включающей одноразовый аналог блока А, стоил не дороже 6 млн руб;
4. высокие перегрузки при торможении в атмосфере, в момент ввода в действие парашютной системы и в момент касания поверхности (при отсутствии двигателей мягкой посадки);
5. отсутствие гарантий сохранности конструкции (особенно жидкостных блоков) при посадке из-за невозможности (или крайней сложности) обеспечения нулевой вертикальной и горизонтальной скорости и, соответственно, наличия ударных нагрузок;
6. при посадке непосредственно в воду – сравнительно большие ударные нагрузки и высокий риск коррозии элементов конструкции;
7. большие трудности транспортировки крупногабаритных длинномерных ступеней с места посадки на ремонтный завод или космодром.

⇡#Планирующая посадка по-самолётному

В настоящее время горизонтальная планирующая посадка на аэродром с использованием сравнительно высокого аэродинамического качества реализована на крылатой орбитальной ступени Space Shuttle, на орбитальном корабле «Буран» и на экспериментальном ракетоплане Х-37. В многочисленных проектах 1960-2000-х годов данный способ рассматривался как основной.

Достоинства:

1. позволяет использовать атмосферу не только для гашения остаточных скоростей, но и для маневрирования (в определённых пределах) по продольной и боковой дальности для выбора места посадки при минимальных затратах топлива;
2. в идеале возможно возвращение и посадка в районе старта, чем снижаются затраты на проведение поисково-спасательных и транспортных операций;
3. высокая точность приземления (в пределах взлетно-посадочной полосы) из-за наличия органов аэродинамического управления;
4. низкие перегрузки во время торможения в атмосфере (примерно 1,5-2 единицы);
5. низкие ударные нагрузки при посадке (вертикальная скорость около 3 м/с может быть погашена амортизаторами шасси).

Недостатки:

1. высокая сложность и стоимость разработки, производства, испытания и эксплуатации из-за наличия самолётных систем и агрегатов (крыло, оперение, шасси, вспомогательные двигатели, аэродинамические органы управления, сложная гидросистема и т. п.)
2. большая громоздкость и высокие затраты массы из-за наличия самолётных систем (до 25-30% от конечной массы спасаемого блока);
3. возможны ограничения на эксплуатацию (лимиты на программу изменения углов атаки при старте и на атмосферном участке выведения, а также исключительно точное соблюдение параметров входа в атмосферу и ограничения на скорость ветра по маршруту возвращения и в месте посадки);
4. невозможность захода на второй круг горизонтальной посадки (для реализации такого шанса требуется оснастить возвращаемый блок вспомогательной двигательной установкой и запасом топлива, что ещё более увеличивает «инертную» массу);
5. необходимость упрочнения баков и других отсеков (ведёт к увеличению конечной массы блока), связанная с высокими поперечными нагрузками, не характерными для одноразовой ракетной техники.

⇡#Вертикальная реактивная посадка

К настоящему времени реактивная посадка в достаточной степени отработана на первой ступени ракеты-носителя Falcon 9 (компании SpaceX) и суборбитальной системе NewShepard (Blue Origin), а также на посадочных аппаратах межпланетных (в основном лунных) зондов и экспериментальных летательных аппаратов типа DC-X и Grasshopper. Реактивная посадка на вспомогательных турбореактивных двигателях рассматривалась в проекте многоразовой ракетно-космической системы «Подъём» предприятия, которое сейчас называется Ракетно-космическим центром (РКЦ) «Прогресс», г. Самара.

Достоинства:

1. сравнительно небольшая стоимость разработки и производства, т. к. основные затраты массы приходятся на самый дешёвый компонент системы – ракетное топливо;
2. возможность ограничения перегрузок при торможении в атмосфере;
3. возможность точной посадки, в т. ч. в районе старта (снижение стоимости поисково-спасательных и транспортных операций);
4. низкие нагрузки при посадке (околонулевая скорость) и низкие поперечные нагрузки при спуске в атмосфере;
5. невысокие потери в массе полезного груза при посадке в районе штатного падения блока (или на посадочную платформу в океане) – от 5 до 15%;
6. возможность использования ракетного блока как в многоразовом, так и в одноразовом исполнении (расширение гибкости эксплуатации).

Недостатки:

1. слабое использование земной атмосферы для гашения остаточных скоростей;
2. повышенные требования к системе управления (фактически использованы технологии, более свойственные современному высокоточному оружию, чем ракетно-космическим комплексам);
3. усложнение ракетного блока из-за установки дополнительных систем (вспомогательные ракетные сопла или двигатели, аэродинамические органы управления, посадочные опоры);
4. высокие потери массы полезного груза при возвращении ступени к месту старта (до 30-50%);
5. ограничения на эксплуатацию (прежде всего, скорость и направление ветра по трассе спуска и в месте посадки);
6. ужесточение требований к двигательной установке (необходимость быстрого многократного автоматического запуска в полёте и возможность глубокого дросселирования тяги при посадке).

⇡#Проснёмся ли мы завтра в новом мире?

В настоящее время после впечатляющих успехов SpaceX и Blue Origin по мнению ряда экспертов, с точки зрения затрат на эксплуатацию всей системы предпочтительнее выглядит вертикальная реактивная посадка. Однако выбор надо делать на основе многократно подтверждённых примеров, подкреплённых реальными цифрами стоимости.

Например, успех данного способа, продемонстрированный компанией Илона Маска, во многом обусловлен возможностью простой, быстрой и дешёвой доставки севшей ступени самоходным судном к прибрежному американскому космодрому: объявленные минимальные потери в массе полезного груза сочетаются с минимальными расходами на поисково-спасательные и транспортные операции. В условиях «континентальных» космодромов (Восточный, Байконур, Плесецк) посадка ступени в тайге или в пустыне в отсутствие транспортной инфраструктуры может оказаться неприемлемой, и единственно возможным может стать возвращение к месту старта. В этом случае более выгодной (из-за меньших потерь в массе полезного груза) может стать самолётный способ.

Возможны (и широко рассматриваются) комбинированные способы возвращения, включающие, например, использование аэродинамического качества всей ступени на участке торможения в атмосфере в сочетании с парашютно-реактивной посадкой отделённого от баковых отсеков блока с самым дорогим и сложным оборудованием — маршевыми двигателями и системой управления.

В любом случае следует отметить, что существующие на сегодня критерии разработки одноразовых ракет-носителей, по всей видимости, неприемлемы (или требуют значительной корректировки) при создании многоразовых ракетно-космических систем, даже включающих одну (первую) ступень с вертикальной реактивной посадкой.