3 мая 2022 года с пусковой площадки в Новой Зеландии стартовала 26-я по счету космическая ракета Electron компании Rocket Lab. Этот пуск ознаменовался интересным достижением: первая ступень ракеты была перехвачена с помощью вертолета.

Когда ступень выработала топливо и отделилась, автоматика придала ей правильную ориентацию и раскрыла тормозной парашют. На последних километрах спуска был раскрыт и основной парашют, замедливший падение до приемлемой скорости. Примерно в 2 км от поверхности моря вертолет зацепил за стропу парашюта специальный крюк и взял ступень на буксир. Специалисты Rocket Lab уже отрабатывали этот маневр на испытаниях, но он никогда раньше не применялся во время реального космического запуска.

Однако первый блин, как водится, вышел комом. Нагрузка на вертолет оказалась выше расчетной, и пилот был вынужден сбросить «добычу» в океан. Теперь специалистам предстоит выяснить, что именно пошло не так.

Космический курьер 

Старт первой ракеты-носителя Electron в 2017 году заставил экспертов заговорить о новой нише на рынке космических запусков. Это ниша курьера на велосипеде вместо грузового такси. Действительно, миниатюрный носитель изначально был способен вывести на низкую околоземную орбиту всего 225 кг груза (позже грузоподъемность увеличили до 300 кг). Зато пуск обходился заказчику всего в $7,5 млн. Для сравнения: ракета-носитель Falcon 9 компании SpaceX поднимает почти 23 т. Но ее запуск стоит клиенту $67 млн (еще недавно речь шла о $62 млн, но в SpaceX учли инфляцию). «Космический курьер» идеально подходит для запуска микро- и наноспутников — даже на столь миниатюрную ракету их можно вешать буквально гроздьями. Последний запуск доставил на орбиту 34 аппарата, а всего на счету Electron уже 146 спутников.

Но производители стремятся сделать и без того дешевую ракету еще дешевле. Rocket Lab идет по пути SpaceX, превращая первые ступени ракеты в многоразовые. Во время 16-го запуска Electron в 2020 году первая ступень впервые мягко приводнилась. После этого успеха специалисты начали отрабатывать воздушный перехват. Он позволит избежать удара о воду и разрушительного действия соленой влаги.

Заметим, что в Rocket Lab еще ни разу не запускали приводнившуюся ступень повторно. 

Право на возвращение

Миссия первой ступени ракеты-носителя — преодолеть первые десятки километров над Землей. Именно здесь сильнее всего как гравитация, так и сопротивление воздуха. Поэтому первая ступень — это не только вместительные баки, но и мощные и весьма дорогие двигатели, а также другие устройства. Ее стоимость составляет десятки процентов от затрат на запуск. Неудивительно стремление перейти от одноразовых ступеней к многоразовым.

Однако технически эта задача очень сложна. От системы посадки требуется, во-первых, опустить первую ступень с высоты в десятки километров (например, для Falcon 9 — 70 км). Во-вторых, погасить огромную скорость (в зависимости от типа ракеты — от 1,6 до 2,8 км/с). В-третьих, приземлиться в заранее заданный район. 

Кроме того, первая ступень, оснащенная системой «спасения», будет стоить дороже и весить больше, чем обычная. Наконец, даже после мягкой посадки конструкция потребует проверки на повреждения и, возможно, ремонта. Так что совсем не очевидно, что овчинка в итоге будет стоить выделки.

Существует три способа посадить первую ступень. Прежде всего, можно использовать для торможения те же двигатели, которые ракета применяет для взлета. Именно так садятся первые ступени Falcon. При этом в баках приходится оставлять запас топлива для посадки. Это горючее нельзя потратить на выведение космического аппарата, но его приходится возить с собой. Разумеется, это снижает грузоподъемность ракеты.

Второй способ — использование парашютов. Именно так спускается первая ступень крошки Electron, у которого просто нет резервов топлива. У этого метода есть два недостатка. Во-первых, посадка на парашюте сопровождается довольно сильным ударом о землю или о воду. Во-вторых, ветер может отнести «парашютиста» далеко от запланированной точки. А это лишние затраты на поиск и, в случае приводнения, лишние часы в соленой воде. Именно поэтому в Rocket Lab идут на воздушный балет с вертолетом. Но винтовой перехватчик может удержать в воздухе разве что ступень миниатюрного Electron (да и то, как показала первая попытка, с трудом). О более тяжелых ракетах и говорить нечего.

Наконец, ступень может сесть как самолет. Для этого ей понадобятся крылья, посадочная полоса и, скорее всего, воздушно-реактивный двигатель самолетного типа.

Расчеты показывают, что третий способ позволит выводить на орбиту больше полезной нагрузки, чем первые два. Но создать аппарат, способный взлетать как ракета-носитель, а садиться как самолет, непросто. 

Пока крылатые первые ступени существуют лишь в проектах. Таких, например, как российский «Крыло-СВ». Над ним работают экспериментальное конструкторское бюро имени Бартини и «Конструкторское бюро химического машиностроения имени А. М. Исаева». В прошлом году сообщалось, что первый запуск прототипа-демонстратора запланирован на 2022 год. Этот полет еще не будет космическим: эксперты отработают разгон в атмосфере до гиперзвуковой скорости, торможение и посадку.

От «Шаттлов» до «Фальконов»

Не углубляясь в проекты, находящиеся на стадии чертежей, поговорим о реальных успехах на ниве возвращаемой космонавтики.

Первыми многоразовыми носителями стали твердотопливные ускорители знаменитых шаттлов. Отработав топливо, они приводнялись на парашютах. Система Space Shuttle эксплуатировалась с 1981 по 2011 год. Несмотря на многоразовость ускорителей и самих челноков, запуски были баснословно дороги и по мере старения техники дорожали все больше. Так, в 2010 году подготовка и пуск шаттла обходились в $775 млн. Едва ли владелец, скажем, метеоспутника стоимостью около $300 млн стал бы отдавать такие деньги за запуск. Неудивительно, что на шаттлах возили астронавтов, отправляли на орбиту «Хаббл» и вообще, так сказать, доставляли грузы повышенной ценности. Более скромные задачи по-прежнему решали одноразовые ракеты.

Честь создания многоразовой рабочей лошадки для рутинных запусков принадлежит компании SpaceX. Это уже упоминавшаяся ракета Falcon 9. Мягкая посадка отработанной первой ступени впервые состоялась в декабре 2015 года, а первый повторный запуск — в марте 2017-го. На сегодняшний день компания осуществила 110 посадок и 90 повторных запусков. Две самые «заслуженные» ступени совершили уже по 12 рейсов. Заметим, что владелец SpaceX Илон Маск первоначально заявлял, что цель — 10 полетов одной ступени. Эта задача выполнена и перевыполнена.

Важно, что повторно используемые первые ступени считаются такими же безопасными, как и новенькие, с иголочки. На таких блоках запускаются спутники GPS, обеспечивающие навигацией армию США, и даже пилотируемые корабли к МКС.

Насколько выгодны повторные запуски по сравнению с первичными? Компания не раскрывает эту информацию, но, по некоторым оценкам, затраты снижаются более чем на 40%.

Вероятно, это как минимум один из факторов, делающих цены SpaceX демократичными по меркам рынка. Например, запуск «Протона-М» стоил $65 млн (сейчас эта популярная ракета снята с производства в связи с переходом на «Ангару»). Запуск Atlas V стоил и вовсе $100 млн. Проиграв Falcon в конкурентной борьбе, «Атласы» сошли с дистанции.

При этом Маск не останавливается на достигнутом и стремится повторно использовать еще и обтекатель Falcon. Обтекатель — это «верхушка» ракеты, прикрывающая космический аппарат от набегающего воздуха. Выполнив свою миссию, обтекатель Falcon 9 разделяется на две половины, которые опускаются в океан на парашютах (двигателей у них нет). По оценкам SpaceX, повторное использование одной половины обтекателя экономит $3 млн, а всего обтекателя, соответственно, $6 млн.

Правда, найти их в океане довольно трудно — ветер может отнести неуправляемый парашют куда угодно. Первый улов состоялся в январе 2019 года, а еще один — в июне. Оба раза находилась только одна половина обтекателя. Только в 2020-м специалисты впервые достали из воды обе половинки.

Гонка за экономией

Еще одно детище SpaceX — тяжелая ракета Falcon Heavy. Она, в сущности, использует три первые ступени Falcon 9 вместо одной (все они остаются возвращаемыми). Подобное трио превращает Heavy в самую грузоподъемную из используемых сегодня ракет — она выводит на низкую околоземную орбиту почти 64 т груза. Отметим, что история космонавтики знала ракеты и посильнее, например, лунный Saturn V.

На данный момент состоялось три запуска Falcon Heavy — один испытательный и два коммерческих. При этом уже в тестовом полете новой ракеты использовались ступени, ранее летавшие в составе Falcon 9.

Заметим, что летающие к МКС корабли Dragon 2 от той же компании SpaceX (как грузовые, так и пилотируемые) тоже многоразовые. А в перспективе уже маячит многоразовая сверхтяжелая система Starship. Пока, впрочем, она проходит тестовые атмосферные пуски, которые зачастую заканчиваются авариями.

Помимо SpaceX и Rocket Lab, есть еще только одна компания, повторно использующая первые ступени космических ракет. Это Blue Origin. Первая ступень ее ракеты New Shepard возвращается тем же способом, что и Falcon 9. Правда, New Shepard отправляется только в суборбитальные полеты. Ниша этой ракеты — набирающий обороты космический туризм. Но в компании работают над новой ракетой New Glenn, способной на более амбициозные миссии. Ее первая ступень также будет возвращаемой.

Список из трех компаний выглядит довольно скромно. Однако уже в ближайшем будущем он может расшириться. Так, о создании собственной частично многоразовой ракеты недавно задумались в Китае. А Европейское космическое агентство в 2020 году объявило о начале работы над возвращаемой ракетой Themis («Фемида»). Сумма контракта на первый этап разработки составила €33 млн. Разумеется, это только начальное вложение — разработка новой ракеты под ключ обойдется гораздо дороже. Одно только создание двигателя Prometheus («Прометей») потребовало отдельного контракта на €135 млн. Первый запуск прототипа Themis на суборбитальную высоту намечен уже на 2023 год.

Космос давно перестал быть фронтиром, который осваивали, не считаясь с затратами. Теперь это арена бизнеса, а деньги, как известно, любят счет. Это значит, что одноразовая ракета рано или поздно станет такой же нелепостью, как одноразовый автомобиль. И, возможно, эта эпоха уже не за горами.