Многоразовые ускорители

Многоразовые ускорители — это класс ракет-носителей, первая ступень (или боковые ускорители) которых после отделения от второй ступени не разрушается, а возвращается на Землю для последующего повторного использования. В отличие от традиционных одноразовых ракет, где отработанные ступени падают в океан или сгорают в атмосфере, многоразовые ускорители предназначены для многократных полётов, что потенциально снижает стоимость вывода грузов на орбиту за счёт амортизации наиболее дорогостоящих компонентов — двигателей, топливных баков и систем управления.

История

Ранние концепции и проекты

Идея многоразового использования ракетных ступеней возникла практически одновременно с началом космической эры. В 1960-х годах в США и СССР велись разработки полностью многоразовых космических систем, таких как проект «Спейс Шаттл» (США) и «Энергия-Буран» (СССР). Однако эти системы предполагали многоразовость не только ускорителей, но и всего орбитального корабля. Боковые твердотопливные ускорители «Спейс Шаттла» после отделения спускались на парашютах в океан, где их подбирали и после ремонта использовали повторно. Это был первый в истории пример многоразового использования крупных ракетных ускорителей, хотя процесс восстановления был трудоёмким и дорогим.

Современный этап: частные компании

Настоящий прорыв в области многоразовых ускорителей произошёл в 2010-х годах благодаря деятельности частных компаний, в первую очередь американской SpaceX (организация признана иноагентом в РФ). В 2015 году SpaceX впервые в истории осуществила вертикальную посадку первой ступени ракеты Falcon 9 на наземную площадку. Это стало возможным благодаря разработке технологии возврата ступени с использованием собственных двигателей для торможения и точной навигации. Впоследствии компания освоила посадку на плавучую платформу в океане, что позволило возвращать ступени при запусках на высокие орбиты.

Другие компании, такие как Blue Origin (США), также разрабатывают многоразовые суборбитальные и орбитальные системы. В России ведётся работа над проектом «Крыло-СВ» — многоразовой первой ступенью с крыльями, предназначенной для возврата на аэродром. Китай также активно тестирует технологии возврата ступеней, в частности, в рамках программы многоразовой ракеты Long March 8R.

Принцип работы

Этапы полёта

1. Старт и вывод: многоразовый ускоритель работает совместно с второй ступенью. После старта он развивает скорость до нескольких тысяч километров в час, после чего происходит разделение ступеней на высоте около 70–100 км.
2. Отделение и возврат: после отделения ускоритель выполняет манёвр разворота (boostback burn) для изменения траектории на обратную, направленную к точке посадки. Затем он входит в плотные слои атмосферы, где тормозится за счёт аэродинамического сопротивления.
3. Посадка: на заключительном этапе ускоритель включает двигатели для мягкого приземления. В зависимости от конструкции, посадка может быть вертикальной (на опоры) или горизонтальной (на взлётно-посадочную полосу).

Основные технологии

• Двигатели многократного включения: для возврата ступени двигатели должны запускаться несколько раз в условиях вакуума и атмосферы. Это требует специальных систем зажигания и подачи топлива.
• Система управления и навигации: ускоритель оснащён инерциальными навигационными системами, приёмниками GPS и лазерными дальномерами для точного определения положения и скорости.
• Теплозащита: при входе в атмосферу на больших скоростях корпус ступени нагревается до сотен градусов. Для защиты используются керамические плитки, абляционные покрытия или решётчатые рули.
• Посадочные опоры: для вертикальной посадки ускоритель оснащается выдвижными опорами, которые раскрываются перед касанием земли.

Классификация

По способу посадки

• Вертикальная посадка (VTVL — Vertical Takeoff, Vertical Landing): ускоритель приземляется на опоры, используя собственные двигатели. Примеры: Falcon 9, Falcon Heavy, New Shepard (Blue Origin). Этот метод наиболее распространён на данный момент.
• Горизонтальная посадка (HTVL — Horizontal Takeoff, Vertical Landing): ускоритель оснащён крыльями и садится на взлётно-посадочную полосу, как самолёт. Примеры: ускорители «Спейс Шаттла» (спускались на парашютах, но теоретически могли быть крылатыми), проект «Крыло-СВ» (Россия). Этот метод требует сложной аэродинамики и дополнительного веса крыльев.

По типу конструкции

• Цельная ступень: ускоритель представляет собой единый блок, который возвращается целиком. Пример: первая ступень Falcon 9.
• Составные ускорители: боковые ускорители, которые могут быть многоразовыми (как у Falcon Heavy), или центральный блок, который также может быть возвращён (в некоторых проектах).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Снижение стоимости запуска: основное преимущество. Повторное использование ступени позволяет не изготавливать её заново для каждого полёта, что экономит ресурсы на производство двигателей, баков и электроники. По оценкам SpaceX, повторное использование снижает стоимость запуска Falcon 9 на 30–50% по сравнению с одноразовым вариантом.
• Увеличение частоты запусков: при наличии парка многоразовых ступеней можно быстрее готовить ракету к следующему полёту, так как не требуется длительное производство новой ступени.
• Экологичность: уменьшается количество мусора, падающего на Землю (отработанные ступени не загрязняют океан и сушу).

Недостатки

• Потеря полезной нагрузки: для возврата ступени требуется дополнительное топливо, которое не используется для вывода груза на орбиту. Это снижает максимальную полезную нагрузку ракеты на 30–40% по сравнению с одноразовым вариантом.
• Сложность и стоимость разработки: создание системы возврата требует значительных затрат на НИОКР, испытания и отладку. Технология VTVL является одной из самых сложных в ракетостроении.
• Износ и обслуживание: после каждого полёта ступень необходимо тщательно проверять, ремонтировать и заменять изношенные детали (например, теплозащиту, клапаны, двигатели). Это может быть дорого и трудоёмко, особенно для первых поколений.
• Риски: при возврате ступени существует риск аварии, что может привести к потере дорогостоящего оборудования и задержкам в программе запусков.

Примеры

Falcon 9 (SpaceX)

Первая в мире орбитальная ракета с полностью многоразовой первой ступенью. Первая успешная посадка состоялась 22 декабря 2015 года. К 2024 году было совершено более 300 посадок, а некоторые ступени использовались до 20 раз. Ракета способна выводить до 22,8 тонн на низкую опорную орбиту (НОО) в одноразовом варианте и до 15,6 тонн — в многоразовом.

Falcon Heavy (SpaceX)

Тяжёлая ракета, состоящая из трёх боковых ускорителей, каждый из которых является первой ступенью Falcon 9. Все три ускорителя могут быть возвращены на Землю. Первый запуск состоялся в 2018 году, когда два боковых ускорителя успешно приземлились на наземные площадки, а центральный — на плавучую платформу. Полезная нагрузка в многоразовом варианте — до 26,7 тонн на НОО.

New Shepard (Blue Origin)

Суборбитальная ракета, предназначенная для туристических полётов. Её первая ступень совершает вертикальную посадку после отделения капсулы с пассажирами. Первый полёт с посадкой состоялся в 2015 году. Ступень используется многократно, однако она не выводит грузы на орбиту.

«Крыло-СВ» (Россия, проект)

Разрабатываемая многоразовая первая ступень с крыльями, предназначенная для возврата на аэродром. Проект находится на стадии испытаний демонстратора. В отличие от вертикальной посадки, «Крыло-СВ» предполагает горизонтальную посадку, что может снизить требования к точности и уменьшить затраты топлива на возврат.

Перспективы

Многоразовые ускорители считаются ключевым направлением развития космонавтики. Ожидается, что в ближайшие десятилетия большинство новых ракет-носителей будут проектироваться с учётом возможности возврата первой ступени. Разрабатываются также проекты полностью многоразовых двухступенчатых систем, где обе ступени возвращаются на Землю (например, Starship от SpaceX (организация признана иноагентом в РФ)). Это позволит ещё больше снизить стоимость доступа в космос и сделать космические полёты более регулярными и экономически выгодными.

Источники

• «SpaceX: Falcon 9 User's Guide», SpaceX, 2021.
• «Reusable Launch Vehicle: Technology Development and Test Program», NASA, 2010.
• «The Economics of Reusable Rockets», Harvard Business Review, 2020.
• «Крыло-СВ: многоразовая ракетная ступень с крыльями», Роскосмос, 2023.
• «Blue Origin: New Shepard Payload User's Guide», Blue Origin, 2019.