Между двумя влиятельными личностями в космонавтике заочно состоялся короткий, но при этом очень многозначительный разговор. Недавно на лекции в Государственном музее истории космонавтики имени К.Э. Циолковского в Калуге глава "Роскосмоса" Юрий Борисов заявил, что разрабатываемая в России многоразовая ракета "Амур-СПГ" может быть использована до 100 раз. Как раз за несколько дней до этого в SpaceX отметили рекорд: первая ступень Falcon 9 успешно отработала 20 пусков.
Главу SpaceX заинтересовало высказывание Юрия Борисова. Маск прокомментировал его словами: Bring it on, что означает что-то вроде: "Давайте", "Докажите", "Покажите". Перевести это можно примерно так: у Falcon 9 есть 20 реальных возвращений ступени, а "Амур-СПГ" — пока проект. Попробуем разобраться, что за проект и какие ещё продумываются способы повторного использования ракетных ступеней.
Технические характеристики ракеты с многоразовой первой ступенью "Амур-СПГ" © "Роскосмос"
Итак, "Амур-СПГ" — двухступенчатая ракета для полётов на околоземную орбиту, которая должна поднимать в космос 12,5 тонны полезного груза, если её первую ступень не возвращать. А если возвращать, то 10,5 тонны. Значит, вычтенные две тонны — это топливо, которое понадобится для тормозных импульсов приземляющейся ступени. Но даже и за вычетом этих двух тонн грузоподъёмность всё равно выше, чем у "Союзов" (у них она примерно до девяти тонн). В то же время у обновлённой модификации Falcon 9 (Falcon 9 Full Thrust) она достигает 17 с лишним тонн.
СПГ — это "сжиженный природный газ", то есть преимущественно метан. Это топливо ценят за экологичность. У Falcon 9 и "Союзов" двигатели работают на керосине и кислороде. На первой ступени "Амура-СПГ" — пять двигателей на метане и кислороде РД-0169А от воронежского Конструкторского бюро химавтоматики. Интересно, что предусмотрена система "горячего резервирования": если вдруг один двигатель откажет, остальные немедленно наращивают мощность и компенсируют потерю.
Но самое интересное, как должна будет приземляться после запуска первая ступень: в целом точно так же, как и у Flacon 9, а именно — вертикально — "на ноги". На профессиональном языке это называется ракетодинамическим способом. Правда, в схемах возвращения этих двух ступеней есть некоторые отличия.
Что происходит при посадке первой ступени Falcon 9: через две с половиной минуты после пуска на высоте около 70 километров вторая ступень отстыковывается, а первая немедленно включает свою систему ориентации, чтобы уйти от сопел второй ступени. А дальше — в зависимости от того, где предстоит садиться: на суше или на плавучей платформе.
Схема возвращения первой ступени Falcon 9 на плавучую платформу. Фото © SpaceX
Если на плавучей, то ступень по инерции ещё какое-то время продолжает подниматься, а потом достигает пика и начинает снижаться носом вниз, то есть двигателями кверху. Вот в этот самый момент её надо развернуть "вверх ногами", и это делается с помощью специальных небольших азотных двигателей. А дальше для торможения три раза включаются двигатели: сначала для задания нужного направления, потом при входе в атмосферу и, наконец, у самой земли (точнее, платформы), где раскрываются посадочные штанги и ракетная ступень садится, а лучше сказать, встаёт.
Фрагмент видео © SpaceX
Если же надо вернуться на посадочную площадку на космодроме, то есть туда же, откуда стартовали, то после расстыковки в космосе первая ступень тоже переворачивается, а потом запускает двигатели и летит в обратную сторону. Дальше всё так же.
Так вот, за посадку у ступени "Амура-СПГ" отвечает лишь один — центральный — двигатель. У "Фалькона" включаются сразу три. Этот единственный двигатель для приземления надо запустить два раза (у Маска даётся три импульса). То есть в общей сложности за весь полёт центральный двигатель "Амура" включается три раза: на старте, при входе в атмосферу и у земли. Естественно, у ступени, как и у Falcon 9, есть решётчатые рули для стабилизации ("вафельницы") и посадочные опоры.
Инфографика © ТАСС / Антон Мизинов, Анастасия Зотова, Сабина Вахитова
Стартовый комплекс для "Амура-СПГ" планируется строить на космодроме Восточный и там же, соответственно, должна быть платформа для приземления ступени. Недавно в Центре эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры (ЦЭНКИ) рассказали, что весь пусковой комплекс будут возводить как единую конструкцию по принципу плавучей платформы "Морской старт".
Что касается платформы для посадки первой ступени, то в 2021 году в "Роскосмосе" говорили, что её разместят к северо-западу от города Алдан в Якутии. Кроме того, специальная комиссия рассматривала варианты районов в Амурской области и Хабаровском крае. Поскольку Восточный находится недалеко от Охотского моря, обсуждалась и возможность размещения плавучей посадочной платформы или даже приводнения ступени, то есть спуска её прямо на воду, откуда её должны будут поднимать на борт спецсуда, а далее предстоит её везти на "техосмотр" вертолётом либо по железной дороге. Но посадку на воду, судя по всему, рассматривают только как крайний, аварийный случай, а штатная предполагается на суше.
Можно ли сделать многоразовой не только первую ступень ракеты, но и всю ракету целиком? В теории да, но на практике, как объясняли в "Роскосмосе" , если сделать возвращаемой и вторую ступень "Амура", то система станет слишком тяжеловесной: для её посадки тоже нужен запас топлива плюс специальное оборудование, и всю эту массу придётся тащить за собой в космос вместо какого-то полезного груза.
Меж тем в центре Хруничева прорабатывают интересную идею: сажать вертикально ракету "Ангара-А5", а именно всю её нижнюю секцию, целиком — центральный универсальный ракетный модуль УРМ-1 и четыре боковых ускорителя. Вместе, без отделения. То есть вообще по стандартной схеме боковым блокам положено первыми отделяться, и они представляют собой первую ступень. А дальше отделяется центральный, который служит второй ступенью. Так вот, по схеме возвращения предлагается не отделять их друг от друга до самого момента отстыковки третьей ступени, а там они выдают тормозной импульс, разворачиваются, снижаются все вместе двигателями вниз и перед самой посадкой снова включаются и выдвигают штанги.
Динамика посадки на опоры — самое сложное в ракетодинамическом приземлении, но если это удастся воплотить, то мы получаем одновременную посадку сразу двух ступеней ракеты-носителя. Это же уже почти "святой Грааль ракетостроения", о котором твердит Илон Маск!
Стоит упомянуть и ещё об одном способе возвращения ракет на землю — посадке "на крыло". На рубеже двух тысячелетий, задолго до появления на небосклоне Илона Маска, российские ракетостроители из НПО "Молния" сделали приблизительно следующее: взяли универсальный ракетный модуль УРМ-1, установили в его носовом отсеке двигатель истребителя МиГ-29, прикрепили крыло размахом 17 метров, хвостовое оперение, шасси и прочее нужное оборудование и получили то, что произвело фурор на Авиасалоне в Ле Бурже в 2001 году.
Ракета "Байкал" на выставке в Ле Бурже (Франция) в 2001 году. Фото © ТАСС / Александр Кондрашев
Схема полёта такая: в момент пуска крыло сложено вдоль корпуса ракеты, а после того как ракета сделала своё дело, то есть вывела в космос вторую ступень и от неё отделилась, крыло начинает разворачиваться, ракета "на автопилоте" снижается и направляется в сторону аэродрома, где и садится на своём авиационном двигателе.
Впоследствии из ракеты "Байкал" вышел проект крылатой ракетной ступени "Крыло-СВ". А теперь ту же самую схему хотят реализовать для лёгкой "Ангары", потому что у неё всего один УРМ-1 в качестве первой ступени, то есть его можно сделать похожим на самолёт и таким образом благополучно возвращать на землю и запускать многократно.
Как подчёркивали в ГКНПЦ имени М.В. Хруничева, посадка ракеты "по-самолётному" технически сложнее вертикальной, но, с другой стороны, для неё не нужны ни посадочный комплекс, ни средства транспортирования — она сама прилетает на аэродром.
И в заключение: после появления возвращаемых "Фальконов" начались споры о том, насколько целесообразно вообще многоразовое использование ракет: не слишком ли дорого будет обходиться подготовка к новому пуску, не слишком ли снижается грузоподъёмность и так далее. Факт существования проекта "Амур-СПГ" означает, что многоразовость всё-таки признана логичным следующим шагом, прогрессом в ракетостроении.