Космическая ракета приближается к земле, выпуская дым и пламя, постепенно выравниваясь. Кажется, что она обречена. Но возле самой поверхности ее двигатели взвывают и ракета замедляется. Дым рассеивается и становится очевидно: она приземлилась. Вертикально. В целости и сохранности. Эпоха многоразовых космических аппаратов приближается. Некоторые фантасты мечтали об этом десятки лет назад. Почему так долго?
Всего десять лет назад такое событие нельзя было и представить. Но после многих красочных и неудачных попыток посадить ракету, калифорнийская компания SpaceX за последние четыре месяца сделала это четырежды — один раз на суше в декабре 2015 на мысе Канаверал, а в апреле — впервые — на беспилотную баржу в середине Атлантического океана. И это были не холостые ракеты: обе сорокаметровые первые ступени ракет Falcon 9 вывели коммерческий космический аппарат на орбиту.
Возвращая ракетные ступени на Землю для повторного использования и починки, основатель SpaceX, миллиардер Элон Маск надеется сделать полеты в космос, наконец, экономически целесообразными, как коммерческая авиация. Его точка зрения такова: авиакомпании не выбрасывают Boeing 747 после каждого полета, почему мы так поступаем с космическими аппаратами?
Научная фантастика предсказывала появление многоразовых космических аппаратов больше века, а космические инженеры экспериментировали с этой идеей с середины 20 века — частично многоразовый космический шаттл, вероятно, это лучшее, что удалось сделать. Почему же нормальные многоразовые космические корабли появляются только сейчас, когда уже столько денег было выброшено на ветер?
Для начала стоит обратить особое внимание, что SpaceX — не единственная компания, которая этим занимается. Blue Origin при поддержке главы Amazon Джеффа Безоса запустила и приземлила ракету New Orbital три раза, каждый раз выходя за границу атмосферы (линию Кармана) на высоте 100 км.
И SpaceShipTwo разработки Virgin Galactic также летал в суборбитальное пространство. «Небольшие транспортные средства, которые используют современные технологии, могут быть более пригодны для повторного использования, чем шаттлы, а суборбитальный транспорт — еще больше», говорит CEO Virgin Джордж Уатйсайдс.
И все же посадки SpaceX — это колоссальный технический подвиг. Чтобы вывести спутник на низкую околоземную орбиту, ракета должна двигаться со скоростью около 6000 км/ч, а чтобы достичь геостационарной орбиты — 9000 км/ч, прежде чем первая ступень сможет отделиться и вернуться на Землю.
«Суборбитальный транспорт летит прямо вверх и возвращается прямо вниз», говорит Летиция Гэрриот де Кайе, американский космический предприниматель. «Несмотря на всю сложность затеи, скорость в верхней точки равна нулю, и тогда гравитация возвращает транспорт на Землю. Суборбитальная многоразовость сильно отличается по сложности от орбитальной многоразовости», говорит она.
Короче говоря, простое объяснение тому, что многоразовые ракеты появляются только сейчас, заключается в технической сложности. Но сама идея многоразовых космолетов уходит во времена еще до Второй мировой войны.
До программы «Аполлон» космолеты считались будущим многоразовых космических аппаратов, говорит Роджер Лониус из Национального музея воздуха и космоса при Смитсоновском институте в Вашингтоне. «Эта идея витала в воздухе с тех пор, как Бак Роджерс и Флэш Гордон появились в комиксах в 1920-30-х годах. Каждый космический корабль в этих комиксах был многоразовым космолетом. Поэтому до Второй мировой войны мы думали, что космические полеты будут похожи на обычное воздухоплавание».
После 1945 года захваченные немецкие ученые показали, что планировали — но так и не построили — суборбитальный космический самолет Silverbird, с помощью которого нацисты хотели разбомбить неприятеля. Новая особенность его конструкции заключалась в форме крыла, которая прибавляла аэродинамической подъемной силы. Эту идею взяли на вооружение ВВС США в 1958 году, когда начали работу над многоразовым крылатым космопланом X-20 Dyna-Soar — но лунная программа привела к консервации проекта в 1963 году.
«Многоразовый космоплан был выброшен в окно из-за космической гонки, у которой была одна задача — обойти русских. В то же время космоплан был недостаточно развитой технологией для полетов на Луну», говорит Лониус. Больше внимания уделяли капсулам, которые запускались баллистически. «Капсулы повторного входа в атмосферу, которые использовались в ядерных боеголовках, по большей части были теми же, в которых посадили астронавтов. Просто меняете груз и все».
После триумфа «Аполлона», впрочем, NASA вернулось к многоразовой первой любви: к крылатому многоразовому космоплану — космическому шаттлу.
Пять шаттлов совершили в среднем по 27 миссий каждый; звездой флота был «Дискавери» с 39 миссиями. «Так что у космолетов длинная история многоразового использования», говорит Марк Сиранджело, главный по космическим система в корпорации Sierra Nevada в Луисвилле, Колорадо.
Недостаток был в том, что их приходилось ремонтировать между запусками — это касается и ракет SpaceX. Хотя SpaceX испытала, могут ли ее ракеты вернуться на Землю, она еще не починила ни одной. И в этом и заключается ее настоящее испытание, считает Лониус. «Если вы сможете использовать повторно любую часть космического аппарата, вы сэкономите деньги на следующем запуске. Но если вам придется разбирать и полностью ремонтировать его перед каждым рейсом, вы с таким же успехом можете построить новый».
NASA также проводило исследования гораздо меньших многоразовых КЛА, которые сейчас появляются в других ипостасях. Например, NASA X37 сейчас используется ВВС США в форме X37B, беспилотного ракетного космоплана, который осуществляет секретные военные миссии на низкой околоземной орбите и возвращается самостоятельно домой.
Космоплан NASA HL-20, разработанный в конце 80-х и 90-х в качестве потенциальной шлюпки космической станции, был приобретен Sierra Nevada и переименован в Dream Chaser. Компания превратила проект NASA в то, что Сиранджело называет «мощнейшим многоразовым транспортом», который она может сделать. Потребовалось заменить фюзеляж NASA из металлического сплава на продвинутый легковесный композит».
«Он будет намного прочнее и больше приспособлен к стрессам космического полета, давлениям и температурам», говорит Сиранджело. В дополнение к грузовым перелетам NASA, Dream Chaser — который можно запустить с любой современной ракетой и посадить на любой аэропорт, способный принять Airbus A320 — рассматривает ЕКА и немецкая лаборатория DLR для различных миссий. К примеру, для захвата и удаления космического мусора.
Хотя космоплан выглядит наиболее логичным способом создать многоразовый космический аппарат, свет увидели и другие более диковинные конструкции. Например, Roton производства Rotary Rocket Company, капсула в форме перечницы, проходила испытания в 1999 году с целью исправить проблему, с которой сотни космических экипажей столкнулись во время возвращения на Землю с начала космической гонки: они не могли приземлиться, где хотели, и были вынуждены предоставить себя парашютам.
В Rotary Rocket хотели дать экипажу возможность выбирать, где его капсула должна осуществить мягкую посадку, в результате чего транспортное средство, очевидно, можно было бы использовать повторно. Для этого оно должно было повторно войти в атмосферу и оказавшись в толще воздуха развернуть вертолетные роторы. Ракетные двигатели на кончиках винтов должны были заработать на определенной высоте и экипаж мог бы направить свою вертолетную капсулу к выбранной точке посадки.
К сожалению, у Rotary Rocket Company кончились деньги до того, как они смогли зайти достаточно далеко. NASA однажды тоже рассматривало роторы, но отказалось от варианта с ракетным движением, предпочтя авторотацию для своей капсулы «Орион».
Нестандартный подход Roton может частично жить, благодаря SpaceX. Семиместная капсула Dragon V2, которая разрабатывается для поездок NASA на МКС, должна стать в итоге многоразовой, благодаря восьми ракетным двигателям, встроенным в ее внешние стенки. У них будет две задачи: выбрасывать капсулу с экипажем, если ракета взрывается во время запуска, и включаться для мягкой активной посадки. Первоначальные приземления с Dragon V2 будут осуществляться с помощью традиционного сброса с парашютом в океан, а потом последует и активное приземление.
Американская ракетная компания United Launch Alliance — совместное предприятие Boeing и Lockheed Martin — изучает, как можно было бы отбросить большущий и дорогущий ракетный двигатель в основе будущей ракеты Vulcan и заставить его приземлиться на параплане, чтобы потом восстановить. ULA также планирует оставлять на орбите вторую ступень, которая будет ожидать заправки для различных задач, например, для обслуживания спутников.
Французская Airbus изучает, как ракетный двигатель в основе будущей ракеты Ariane 6 мог бы использовать крылья и небольшие реактивные двигатели для самостоятельного возвращения в аэропорт. Китайское космическое агентство говорит о планах повторно использовать ступени ракеты «Великий поход» (‘Long March’, «Великий поход китайских коммунистов»), используя множество парашютов.
Все это имеет смысл, говорит Уайтсайдс. «Грядет множество поколений многоразовых космических аппаратов. Пионеры в лице SpaceShipOne, Falcon 9, New Shepard и X-37B ВВС США оставят потомков самых разных форм и сдержат обещание кардинально снизить расходы на орбитальный запуск».
