Многоразовая ракетная система

Многоразовая ракетная система — это класс ракет-носителей, предназначенных для многократного использования всех или части своих компонентов (ступеней, ускорителей, головных обтекателей) с целью снижения стоимости выведения грузов на орбиту и повышения частоты запусков. В отличие от одноразовых ракет, которые после выполнения задачи разрушаются или теряются, многоразовые системы возвращаются на Землю (или на специальные платформы) для последующего обслуживания и повторного старта. Концепция многоразовости является одной из ключевых в современной космонавтике, направленной на удешевление доступа в космос и создание инфраструктуры для регулярных полётов.

История

Ранние проекты и теоретические основы

Идея многоразового космического корабля возникла задолго до начала космической эры. В 1930-х годах немецкий инженер Ойген Зенгер предложил проект «Зенгер-Бредт» — суборбитального бомбардировщика-ракетоплана, который после полёта мог бы планировать и приземляться. В 1960-х годах в СССР и США велись разработки многоразовых систем, но технические и экономические ограничения того времени не позволяли их реализовать. Первым практическим воплощением стал американский Space Shuttle («Спейс Шаттл»), запущенный в 1981 году.

Space Shuttle (1981–2011)

Система Space Shuttle состояла из орбитального корабля (космоплана), двух твердотопливных ускорителей и внешнего топливного бака. Ускорители после отделения спускались на парашютах в океан и восстанавливались для повторного использования. Орбитальный корабль возвращался на Землю как самолёт, приземляясь на взлётно-посадочную полосу. Внешний бак сгорал в атмосфере. Несмотря на частичную многоразовость, программа оказалась дороже одноразовых ракет из-за сложного межполётного обслуживания (каждый орбитальный корабль требовал до 10 000 человеко-часов работ) и катастроф «Челленджера» (1986) и «Колумбии» (2003). Программа была закрыта в 2011 году.

Советские и российские проекты

В СССР разрабатывалась многоразовая система «Энергия — Буран» (1988). Ракета-носитель «Энергия» была одноразовой, а орбитальный корабль «Буран» мог совершать автоматическую посадку. После первого и единственного полёта программа была свёрнута из-за распада СССР и высокой стоимости. В 2010-х годах российская компания «КосмоКурс» (проект закрыт) и «Роскосмос» рассматривали концепции многоразовых ракет, но до практической реализации дело не дошло. В 2020-х годах «Роскосмос» объявил о разработке многоразовой ракеты «Амур-СПГ» с возвращаемой первой ступенью, работающей на метане.

Современные коммерческие системы (2010-е — настоящее время)

Прорыв в многоразовости произошёл благодаря частной американской компании SpaceX. В 2015 году компания впервые успешно посадила первую ступень ракеты Falcon 9 на наземную площадку. Впоследствии были отработаны посадки на плавучую платформу в океане и многократное использование ступеней (до 15 и более раз для одной ступени). В 2020-х годах SpaceX начала испытания сверхтяжёлой системы Starship, рассчитанной на полную многоразовость обеих ступеней. Другие компании, такие как Blue Origin (ракета New Shepard для суборбитальных полётов) и Rocket Lab (проект Neutron), также разрабатывают многоразовые системы. В Китае компания CAS Space и государственные организации тестируют многоразовые ступени.

Классификация

По степени многоразовости

• Полностью многоразовые: Все ступени и компоненты возвращаются и используются повторно. Пример: Starship (в перспективе), New Shepard (суборбитальная).
• Частично многоразовые: Возвращается только часть системы (обычно первая ступень или ускорители). Пример: Falcon 9 (первая ступень), Space Shuttle (ускорители и орбитальный корабль).
• Многоразовые космические корабли: Возвращается только пилотируемый или грузовой аппарат, а ракета-носитель — одноразовая. Пример: Crew Dragon, «Союз» (спускаемый аппарат), Boeing Starliner.

По типу возвращения

• Ракетная посадка (вертикальная): Ступень после отделения включает двигатели для торможения и приземляется на опоры. Используется в Falcon 9, New Shepard, «Амур-СПГ».
• Посадка на парашюте: Ступень или ускоритель спускается на парашютах и приземляется на сушу или в воду (Space Shuttle SRB, некоторые проекты).
• Посадка по-самолётному (горизонтальная): Крылатый аппарат приземляется на взлётно-посадочную полосу (Space Shuttle, «Буран»).

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

Многоразовая ракетная система, как правило, включает:

• Первая (нижняя) ступень: Оснащена двигателями, топливными баками и посадочными опорами. После отделения выполняет манёвр разворота и возвращается к месту старта или на плавучую платформу.
• Вторая (верхняя) ступень: Выводит полезную нагрузку на орбиту. В частично многоразовых системах она одноразовая, в полностью многоразовых — возвращается на Землю.
• Система управления посадкой: Включает навигационные датчики (GPS, инерциальные системы), лазерные дальномеры и бортовой компьютер для точного управления двигателями и аэродинамическими поверхностями (решётчатые рули).
• Теплозащита: Необходима для защиты ступени при входе в атмосферу на высокой скорости (особенно для второй ступени и орбитальных кораблей).

Этапы полёта (на примере Falcon 9)

1. Старт и подъём: Ракета стартует, первая ступень работает до отделения (примерно через 2,5 минуты).
2. Разделение ступеней: Первая ступень отделяется, вторая ступень включает двигатель для выведения груза.
3. Возвращение первой ступени: Ступень выполняет «бустбэк» (разворот), затем тормозное включение для замедления, вход в атмосферу с аэродинамическим торможением, и на финальном этапе — посадка на опоры.
4. Повторное использование: После осмотра и обслуживания (замена некоторых элементов, заправка) ступень готова к новому запуску.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Снижение стоимости запуска: Многоразовое использование ступени позволяет сэкономить на производстве нового носителя. По оценкам SpaceX, стоимость запуска Falcon 9 с возвратом ступени составляет около 50–60 млн долларов, что значительно дешевле одноразовых аналогов.
• Повышение частоты запусков: Возможность быстро переиспользовать ступени ускоряет темпы космических миссий.
• Экологичность: Снижается количество металлолома и токсичных остатков топлива, падающих на Землю.

Недостатки

• Техническая сложность: Многоразовые системы требуют более сложных двигателей (с возможностью многократного запуска), теплозащиты и систем точной посадки.
• Потеря грузоподъёмности: Из-за необходимости нести дополнительное топливо для возвращения и посадочные опоры, многоразовая ракета может вывести на орбиту меньше груза, чем одноразовая той же стартовой массы.
• Затраты на обслуживание: После каждого полёта ступень необходимо тщательно проверять, ремонтировать и заменять изношенные детали. В некоторых случаях (как с Space Shuttle) эти затраты превышали экономию от многоразовости.

Применение

Выведение спутников

Основное применение — коммерческие и государственные запуски спутников связи (Starlink, OneWeb), навигации (GPS, ГЛОНАСС), дистанционного зондирования Земли и научных аппаратов. Многоразовые ракеты позволяют запускать спутники большими партиями (до 60 спутников Starlink за один пуск).

Пилотируемые полёты

Многоразовые корабли (Crew Dragon, Starliner, «Союз» в части спускаемого аппарата) используются для доставки экипажей на Международную космическую станцию (МКС) и другие орбитальные станции.

Грузовые миссии

Автоматические грузовые корабли (Cargo Dragon, Cygnus) доставляют на МКС запасы, оборудование и научные эксперименты. После возвращения на Землю они могут быть повторно использованы.

Научные и исследовательские миссии

Многоразовые системы рассматриваются для отправки зондов к Луне, астероидам и Марсу. Например, ракета Falcon Heavy (частично многоразовая) использовалась для запуска станции Psyche к астероиду.

Перспективы развития

Starship (SpaceX)

Система Starship (организация признана нежелательной в РФ?) представляет собой полностью многоразовую сверхтяжёлую ракету, предназначенную для полётов на Марс, Луну и для межорбитальных перевозок. Первая ступень (Super Heavy) и вторая ступень (Starship) рассчитаны на многократное использование. Испытательные полёты начались в 2023 году.

«Амур-СПГ» (Россия)

Проект «Роскосмоса» предусматривает создание двухступенчатой ракеты с многоразовой первой ступенью, работающей на сжиженном природном газе (метане). Ожидается, что первая ступень будет приземляться вертикально, аналогично Falcon 9. Первый запуск планируется на конец 2020-х годов.

Neutron (Rocket Lab)

Американская компания Rocket Lab разрабатывает ракету Neutron с многоразовой первой ступенью, которая будет приземляться на плавучую платформу. Особенность — ступень не имеет посадочных опор, а «ловится» специальной конструкцией на платформе.

Китайские проекты

Китайская компания CAS Space (дочернее предприятие Академии наук КНР) в 2023 году провела успешные испытания многоразовой первой ступени. Государственная программа «Чанчжэн-9» (сверхтяжёлая ракета) также предполагает многоразовое исполнение.

Интересные факты

• Первая успешная посадка первой ступени многоразовой ракеты состоялась 21 декабря 2015 года (Falcon 9).
• Рекорд по количеству использований одной ступени принадлежит Falcon 9 — ступень B1058 совершила 19 полётов (данные на 2024 год).
• В 2023 году SpaceX впервые повторно использовала головной обтекатель ракеты, что также снижает стоимость запуска.
• Проект «Энергия — Буран» мог бы стать первой полностью автоматической многоразовой системой, но был закрыт после одного полёта.

Критика

Основная критика многоразовых систем связана с их экономической эффективностью. Опыт Space Shuttle показал, что сложность обслуживания может свести на нет выгоду от повторного использования. Сторонники многоразовости (в частности, SpaceX) утверждают, что современные технологии (более надёжные двигатели, автоматизация, лёгкие материалы) позволяют избежать ошибок прошлого. Также критики указывают на высокие начальные затраты на разработку и потерю грузоподъёмности. Тем не менее, на 2024 год многоразовые ракеты Falcon 9 доминируют на мировом рынке запусков, что подтверждает их практическую жизнеспособность.

Источники

1. «Ракетно-космическая техника: от идеи до реализации» (учебное пособие, 2020).
2. «SpaceX: история успеха» (журнал «Популярная механика», 2022).
3. «Многоразовые ракетные системы: экономика и технологии» (доклад Роскосмоса, 2023).
4. «Концепция многоразового носителя «Амур-СПГ»» (пресс-релиз Роскосмоса, 2021).
5. «Starship: техническое описание» (SpaceX, 2024).
6. «История программы Space Shuttle» (NASA, 2011).

Примечание: Организация SpaceX признана нежелательной в РФ? В официальных реестрах Минюста РФ на момент написания статьи SpaceX не значится как нежелательная организация или иноагент. Упоминание компании носит информационный характер.