Common Booster Core

Common Booster Core (CBC, с англ. — «универсальный ускорительный блок») — это тип ракетного ускорителя (первой ступени), используемый в качестве бокового или центрального блока в составе многоразовых и одноразовых ракет-носителей. Концепция CBC предполагает создание унифицированного модуля, который может быть применён в различных конфигурациях ракеты: от одиночного до кластерного (связки из нескольких блоков). Наибольшую известность получила реализация этой концепции в американской ракете-носителе Falcon 9 компании SpaceX, где первая ступень, состоящая из девяти двигателей Merlin 1D, является одновременно и центральным блоком, и, в случае модификации Falcon Heavy, боковыми ускорителями.

История развития

Предпосылки и ранние проекты

Идея использования унифицированных блоков для создания ракет различной грузоподъёмности возникла ещё в середине XX века. В СССР и США разрабатывались проекты, где несколько одинаковых ступеней соединялись в связку. Например, советская ракета-носитель «Р-7» (1957 год) использовала четыре боковых блока, конструктивно схожих с центральным, но не являвшихся полностью взаимозаменяемыми. Однако из-за различий в системах управления и двигателях полная унификация не была достигнута.

В 1960-х годах в США рассматривался проект «Nova» с кластером из нескольких унифицированных блоков, но он не был реализован. В 1980-х годах корпорация McDonnell Douglas (впоследствии вошедшая в Boeing) предложила концепцию «Delta Common Booster Core» для ракеты Delta IV, но проект был свёрнут в пользу более традиционной схемы.

Современная реализация: SpaceX

Ключевым этапом в развитии концепции CBC стала компания SpaceX, основанная Илоном Маском в 2002 году. В 2005 году SpaceX объявила о разработке ракеты Falcon 9, первая ступень которой должна была состоять из девяти двигателей Merlin 1C, установленных на единой раме. Однако настоящий прорыв произошёл в 2011 году, когда компания представила проект Falcon Heavy — носителя, состоящего из трёх параллельно соединённых первых ступеней Falcon 9, каждая из которых является Common Booster Core.

Первый запуск Falcon Heavy состоялся 6 февраля 2018 года. При этом два боковых блока (CBC) успешно совершили синхронную посадку на посадочные площадки на мысе Канаверал, а центральный блок, из-за нехватки топлива, упал в Атлантический океан. Впоследствии SpaceX доработала конструкцию, и в 2019 году центральный блок также начал успешно приземляться на плавучую платформу.

Другие проекты

Помимо SpaceX, концепцию CBC изучали и другие компании. В 2010-х годах корпорация Lockheed Martin предлагала использовать унифицированные блоки для ракеты Vulcan, но проект был изменён в пользу одноразового центрального блока с боковыми твердотопливными ускорителями. В России в 2010-х годах рассматривался проект «Союз-5» с возможностью создания кластерной конфигурации, но он не был реализован. В Китае компания China Aerospace Science and Technology Corporation (CASC) разрабатывает ракету «Чанчжэн-9» с использованием унифицированных блоков, однако проект находится на стадии эскизного проектирования.

Конструкция и принцип работы

Основные компоненты

Common Booster Core представляет собой цилиндрический модуль длиной около 42–45 метров (в зависимости от модификации) и диаметром 3,7 метра. Конструкция включает:

• Двигательная установка: 9 жидкостных ракетных двигателей Merlin 1D (в версии Falcon 9 Block 5), работающих на керосине RP-1 и жидком кислороде (LOX). Двигатели расположены в конфигурации «Octaweb» — один в центре и восемь по окружности.
• Топливные баки: алюминиево-литиевые баки для керосина и жидкого кислорода, разделённые общим днищем.
• Система управления: бортовой компьютер с тройным резервированием, инерциальная навигационная система и приёмники GPS.
• Система посадки: для многоразового использования CBC оснащается четырьмя посадочными опорами, решётчатыми рулями (для управления в атмосфере) и двигателями для торможения.

Принцип работы

При запуске CBC работает как первая ступень ракеты. После отделения от второй ступени (на высоте около 70–80 км) блок может быть возвращён на Землю для повторного использования. Процесс возврата включает:

1. Разделение ступеней: отстыковка CBC от второй ступени.
2. Поворот и торможение: блок разворачивается двигателями вперёд и выполняет тормозной импульс для снижения скорости.
3. Вход в атмосферу: решётчатые рули стабилизируют блок, а теплозащита предохраняет от перегрева.
4. Посадка: на высоте около 10 км включаются три двигателя для замедления, затем один — для точной посадки на платформу или площадку.

Конфигурации и применение

Одиночный блок (Falcon 9)

В стандартной конфигурации Falcon 9 используется один CBC в качестве первой ступени. Это позволяет выводить на низкую опорную орбиту (НОО) до 22,8 тонн (в версии Block 5) и на геопереходную орбиту (ГПО) до 8,3 тонн. Ракета применяется для запусков спутников связи (Starlink, коммерческие заказы), грузовых миссий к МКС (по контракту с NASA) и пилотируемых кораблей Crew Dragon.

Кластер из трёх блоков (Falcon Heavy)

Falcon Heavy использует три CBC: два боковых и один центральный. Боковые блоки идентичны центральному, но оснащены обтекателями для уменьшения аэродинамического сопротивления. Грузоподъёмность Falcon Heavy составляет до 63,8 тонн на НОО и до 26,7 тонн на ГПО. Ракета применяется для вывода тяжёлых спутников (например, военных спутников США) и межпланетных миссий (например, запуск Tesla Roadster в 2018 году).

Перспективные конфигурации

SpaceX рассматривает возможность создания сверхтяжёлой ракеты Starship, которая не использует CBC, а представляет собой единую конструкцию. Однако концепция CBC может быть применена в будущих модификациях Falcon Heavy, например, с использованием многоразовых боковых блоков для увеличения частоты запусков.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Унификация: снижение стоимости производства за счёт массового выпуска однотипных блоков.
• Многоразовость: возможность повторного использования CBC (до 10–15 раз для Falcon 9 Block 5) снижает стоимость запуска.
• Гибкость: возможность быстрой сборки ракет различной конфигурации под конкретную задачу.
• Надёжность: отказ одного двигателя в кластере (например, в Falcon 9) не приводит к аварии, так как остальные могут компенсировать потерю тяги.

Недостатки

• Сложность синхронизации: при кластерной конфигурации (Falcon Heavy) требуется точная синхронизация работы двигателей всех блоков, что увеличивает риск аварии.
• Ограничения по грузоподъёмности: для сверхтяжёлых грузов (более 100 тонн) кластер из CBC может быть неэффективен из-за роста массы конструкции.
• Зависимость от инфраструктуры: для многоразового использования требуются посадочные площадки и плавучие платформы, что ограничивает места запуска.

Интересные факты

• Первый успешный запуск Falcon Heavy с использованием трёх CBC стал самым мощным коммерческим запуском с 1973 года (после Saturn V).
• В 2020 году SpaceX установила рекорд, повторно использовав один и тот же CBC (B1049) 10 раз.
• В 2022 году компания впервые использовала боковые блоки Falcon Heavy, которые уже летали ранее (в миссии USSF-44).
• Концепция CBC вдохновила другие компании, например, Rocket Lab, на создание ракеты Neutron с использованием унифицированных ускорителей.

Критика и альтернативы

Некоторые эксперты критикуют концепцию CBC за то, что она не является оптимальной для сверхтяжёлых ракет. Например, ракета Saturn V использовала единую конструкцию первой ступени с пятью двигателями F-1, что обеспечивало большую надёжность и простоту. Альтернативой CBC является использование одноразовых боковых ускорителей (как на ракете Ariane 5) или твердотопливных ускорителей (как на Space Shuttle). Однако с точки зрения экономики и экологии многоразовые CBC считаются более перспективными.

Источники

• SpaceX. «Falcon 9 User's Guide». 2020.
• SpaceX. «Falcon Heavy User's Guide». 2021.
• NASA. «Space Launch System (SLS) Overview». 2022.
• Berger, Eric. «Liftoff: The Story of SpaceX». 2021.
• Jones, Andrew. «China's Long March 9 Rocket». SpaceNews, 2023.
• Federal Aviation Administration (FAA). «Launch License for Falcon Heavy». 2018.