На заре многоразовости, или Кто был раньше Илона Маска

Сколько споров и обсуждений вертится вокруг SpaceX! Но, если спросить у спорящих: «А что особенного в этой компании?», одним из первых ответов будет: «Они умеют сажать ракеты». Действительно ли Илон Маск и его детище были первыми в этом деле? Мы разобрались.

Как вернуть ракету?
Интерес к многоразовым ракетам появился в первые же годы становления космической отрасли. Всем было ясно, что, если получится не потерять бо́льшую часть ракеты, а посадить её в целости и сохранности, это серьёзно снизит стоимость полёта. Вот только военные — главный заказчик развития ракетостроения в то время — были совершенно не заинтересованы в многоразовости.
Ракета для них была в первую очередь средством доставки ядерной бомбы к противнику.
Во время войны будет не до возвращения первых ступеней МБР и установки на них новых боеголовок. Потому мечты о многоразовых системах так и оставались лишь красивыми идеями.



Но со стартом космической гонки между СССР и США всё больше денег стало уходить напрямую на освоение космоса. Теперь ракетчикам уже можно было не адаптировать МБР под полёты в космос, а делать специализированные ракеты — значит, пришло время подумать и о многоразовости.
Существовало несколько подходов к этому вопросу. Самый простой и быстрый — просто чуть-чуть доработать уже существующие проекты и каким-то образом научиться спасать их ступени. На первый взгляд тут ничего сложного: поставил на ступень побольше парашютов и раскрыл их после её отделения.

Однако есть несколько «но»: ступень (даже с израсходованным запасом топлива) — штука тяжёлая и при этом достаточно хрупкая. Умудриться её мягко посадить, используя только парашюты, — дело нетривиальное. Потому искали и альтернативные решения. Например, можно спасать только двигатель — самую дорогую часть ступени. Он прочный и особых проблем при его посадке быть не должно. Правда, всё равно жалко оставшиеся части ракеты.
Чуть более необычный вариант — установить не просто парашют, а гигантский винт. Используя авторотацию, можно посадить ступень более плавно.




Другое предложение — использовать дельтаплан для управляемой посадки. Но тогда надо ступени делать с шасси, что сильно усложняет конструкцию. В итоге схему с парашютами довели до ума только для достаточно прочных твердотопливных боковых ускорителей Space Shuttle.

Крыло для ракеты
Но всё же все вышеперечисленные варианты были слишком рискованными из-за неконтролируемой или почти неконтролируемой посадки, а сэкономить на возврате ракеты очень хотелось.
У инженеров осталось два вариант обеспечить возврат ступени. Первый — оснастить её крыльями: после отделения полезной нагрузки ступень чуть снижалась и переходила в горизонтальный полёт. С установкой нескольких турбореактивных двигателей такой «самолёт» мог спокойно добраться до подходящего для него аэродрома.
Второй вариант — садиться на своих собственных ракетных движках вертикально, как это делали ракеты в научной фантастике 50‑х.
Выбор казался очевидным — обычный полёт отлично исследовали за долгие годы существования авиации, и никаких проблем с ним не предвиделось. Кроме того, этот метод можно было применить к уже существующим ракетам — просто оснастив их крыльями и турбореактивными двигателями.

А вот посадка «по-ракетному» было делом абсолютно новым. НАСА в этот же момент мучилась с лунным модулем — маленьким, простым и предназначенном для использования на Луне без атмосферы и с небольшой гравитацией. Повторить это с огромной ступени на Земле, на ракетных двигателях казалось слишком сложной задачей.


Вскоре оказалось, что выбор был не совсем верный. Крылья, их защита от нагрева, дополнительные двигатели, органы управления — всё это сжирало полезную массу на ракете, да ещё и на взлёте создавало дополнительное сопротивление. В итоге вся выгода от многоразовости пропадала. Проблему можно было решить, но для этого первую ступень изначально нужно было строить как ракетоплан, а не превращать в переделку уже существующей ракеты.
Именно эту концепцию положили в основу будущего Space Shuttle.

От фантастики к реальности

Но не все были согласны с тем, что будущее — за крылатыми машинами. Да, садиться вертикально сложно, но если научиться это делать, то полезная нагрузка значительно возрастёт.
В это же время набирала популярность идея многоразовых одноступенчатых ракет (Single stage to orbit, сокращённо SSTO). С эффективностью у них было чуть хуже, чем у многоступенчатых собратьев, но сделать их по-настоящему многоразовыми было куда проще.
Кроме того, чем больше была такая ракета, тем более эффективной она становилась. Некоторые проекты имели вес в десяток тысяч тонн, и использование крыла для них было просто невозможно. Оставалась лишь посадка «по-ракетному». Благо развивающиеся технологии делали её разработку уже не такой сложной задачей.

Работы над SSTO шли все 70-е и 80-е годы, но лишь в 90-х, на фоне потери интереса к Space Shuttle, у технологии появился реальный шанс.
В 1994 году NASA объявило о старте программы RLV (Reusable Launch Vehicle). Главную ставку сделали на многоразовый одноступенчатый космоплан Venture Star от Lockheed Martin с вертикальным взлётом и горизонтальной посадкой. Но в качестве запасного варианта финансирование получил и проект McDonnell Douglas Delta Clipper с вертикальной посадкой на ракетных двигателях.



Обе фирмы должны были построить уменьшенные версии своих космолётов для испытаний. Работы над Х-33 от LockheedMartin серьёзно затянулись, а вот DC-X/А от McDonnell Douglas построили быстро, и уже в 1995 году он вышел на испытания, а в 1996-м впервые совершил вертикальную посадку. Но в NASA считали такую схему тупиковой и верили, что будущее за крылатым SSTO.
Финансирование Delta Clipper прекратили, объяснив это повреждением прототипа при посадке и невозможностью безопасной вертикальной посадки в земных условиях. Надо ли говорить, что проект Venture Star тоже закончился ничем, и в 2001 году программу RLV закрыли.

Видео испытаний прототипа DC-X/А:

Но успех испытаний Delta Clipper доказал, что посадка «по-ракетному» — не такая уж и недостижимая задача. В следующее десятилетие многие фирмы и космические агентства сделали ставку на такую схему. А в наше время сразу двум «частникам» (что примечательно) удалось решить эту задачу на своих ракетах.
Если у Blue Origin пока летает только суборбитальная многоразовая ракета New Shepard, а полноценная New Glenn только разрабатывается, то у SpaceX посадка «по-ракетному» доведена до ума для орбитальной Falcon 9 и тяжёлой Falcon Heavy. Обе фирмы отказались от сложной задачи создать SSTO и пока способны возвращать только первые ступени, но в будущем планируется сделать многоразовой и вторую ступень на проектах BFR и New Armstrong.

Вот так посадка «по-ракетному» прошла путь от фантастической идеи к серийному использованию. Что будет дальше и кто всё же победит в противостоянии крыла и вертикальной посадки, покажет лишь время.