Многоразовая ракета-носитель имеет детали, которые можно восстанавливать и повторно запускать, доставляя при этом полезную нагрузку с поверхности в космическое пространство . Ступени ракеты являются наиболее распространенными деталями ракет-носителей , предназначенными для повторного использования. Более мелкие детали, такие как ракетные двигатели и ускорители , также можно использовать повторно, хотя космические корабли многоразового использования можно запускать поверх одноразовой ракеты-носителя. Для многоразовых ракет-носителей не требуется изготавливать эти детали для каждого запуска, что значительно снижает стоимость запуска . Однако эти преимущества нивелируются затратами на восстановление и реконструкцию.
Многоразовые ракеты-носители могут содержать дополнительную авионику и топливо , что делает их тяжелее, чем их одноразовые аналоги. Повторно использованным деталям может потребоваться войти в атмосферу и пройти через нее, поэтому они часто оснащаются тепловыми экранами , решетчатыми ребрами и другими поверхностями управления полетом . Изменяя свою форму, космические самолеты могут использовать авиационную механику для восстановления, например планирования или подъема . В атмосфере также могут потребоваться парашюты или тормозные ракеты , чтобы еще больше замедлить его. Детали многоразового использования также могут нуждаться в специализированных средствах для восстановления, таких как взлетно-посадочные полосы или автономные беспилотные корабли в космопортах . Некоторые концепции полагаются на наземную инфраструктуру, такую как двигатели массы , для предварительного ускорения ракеты-носителя.
По крайней мере, с начала 20 века в научной фантастике существовали одноступенчатые многоразовые ракеты- носители . В 1960-х и 1970-х годах были изготовлены первые многоразовые ракеты-носители, названные « Спейс Шаттл» и «Энергия» . Однако в 1990-х годах из-за того, что обе программы не оправдали ожиданий, концепции многоразовых ракет-носителей были сведены к испытаниям прототипов. Рост числа частных космических компаний в 2000-х и 2010-х годах привел к возобновлению их развития, например, в SpaceShipOne , New Shepard , Electron , Falcon 9 и Falcon Heavy . Ожидается, что многие ракеты-носители дебютируют с возможностью повторного использования в 2020-х годах, такие как Starship , New Glenn , Союз-7 , Ariane Next , Long March , Terran R и Dawn Mk-II Aurora. [1]
Многоразовые пусковые системы могут быть полностью или частично многоразовыми.
По состоянию на январь 2023 года [update]полностью многоразовые орбитальные системы еще не построены и не введены в эксплуатацию. Полностью многоразовые ракеты-носители теоретически могут представлять собой одноступенчатые ракеты-носители (SSTO), а также многоступенчатые системы вывода на орбиту.
Несколько компаний в настоящее время разрабатывают полностью многоразовые ракеты-носители к февралю 2023 года. Каждая из них работает над двухступенчатой системой вывода на орбиту. SpaceX со своим кораблем SpaceX Starship , который находится в разработке с 2016 года и совершил первый испытательный полет в апреле 2023 года. [2] Blue Origin вместе с Project Jarvis начала опытно-конструкторские работы к началу 2021 года, но не объявила дату начала испытаний и не обсуждали проект публично. [3] Stoke Space также разрабатывает ракету, которую планируется использовать повторно. [4] [5]
Ранее планы по проведению испытаний повышенной возможности повторного использования на второй ступени SpaceX Falcon 9 были отложены в 2018 году.
Частичные многоразовые пусковые системы в виде многоступенчатых систем вывода на орбиту до сих пор были единственными используемыми многоразовыми конфигурациями.
Исторический «Спейс Шаттл» повторно использовал свои твердотопливные ракетные ускорители , двигатели RS-25 и орбитальный корабль «Спейс шаттл» , который выступал в качестве ступени вывода на орбиту, но не использовал повторно внешний резервуар , питавший двигатели RS-25. Это пример многоразовой пусковой системы, в которой повторно используются определенные компоненты ракет. Vulcan Centaur от ULA будет специально повторно использовать двигатели первой ступени, пока танк израсходуется. Двигатели приводнятся на надувную аэродинамическую оболочку , а затем поднимаются.
По состоянию на 2023 год все орбитальные многоразовые ракеты-носители повторно используют только первую ступень ракеты (за исключением орбитальных космических самолетов, которые можно рассматривать как многоразовые ступени ракет из-за их способности совершать орбитальные маневры или, в случае орбитального корабля космического корабля "Шаттл", полное внедрение в орбиту). Существующие многоразовые пусковые системы либо используют вертикальный старт с ракетным двигателем , либо используют многоразовый самолет в качестве «первой ступени».
Помимо этого , с течением времени был предложен и исследован ряд неракетных стартовых систем в качестве многоразовых систем для старта с воздушных шаров [6] [ актуально? ] в космические лифты . Существующими примерами являются системы, в которых используется крыльевой горизонтальный взлет с приводом от реактивного двигателя. Такие самолеты могут запускать одноразовые ракеты по воздуху и поэтому могут считаться частично многоразовыми системами, если рассматривать самолет как первую ступень ракеты-носителя. Примером такой конфигурации является Orbital Sciences Pegasus . Для суборбитального полета SpaceShipTwo использует для старта самолет-носитель, его материнский корабль Scaled Composites White Knight Two . Rocket Lab работает над Neutron , а Европейское космическое агентство работает над Themis. Обе машины планируется восстановить на первой ступени [7] [8]
На сегодняшний день большинство систем запуска достигают орбитального вывода хотя бы с частично израсходованными многоступенчатыми ракетами , особенно со второй и третьей ступенями. Только космический челнок смог повторно использовать ступень вывода на орбиту, используя двигатели и топливный бак своего орбитального корабля . Космический самолет «Буран» и космический корабль «Звездный корабль» - это два других космических корабля многоразового использования, которые были разработаны для использования в качестве ступеней вывода на орбиту и были произведены, однако первый совершил только один испытательный полет без экипажа, прежде чем проект был отменен, а второй еще не работает. , также выполнив по состоянию на декабрь 2023 года только два орбитальных испытательных полета , которые не смогли достичь орбиты.
Системы запуска могут быть объединены с многоразовыми космическими самолетами или капсулами. Орбитальный аппарат «Спейс Шаттл» , SpaceShipTwo , Dawn Mk-II Aurora и находящийся в стадии разработки индийский RLV-TD являются примерами многоразового космического корабля ( космоплана ), а также частью его стартовой системы.
В более современную систему запуска Falcon 9 были включены транспортные средства многоразового использования, такие как Dragon 2 и X-37 , которые одновременно перевозили два корабля многоразового использования.
Современные многоразовые орбитальные аппараты включают X-37, Dream Chaser , Dragon 2, индийский RLV-TD и предстоящий European Space Rider (преемник IXV ) .
Как и в случае с ракетами-носителями, все космические корабли в первые десятилетия существования человечества для космических полетов проектировались как предметы одноразового использования. Это справедливо как для спутников , так и для космических зондов , предназначенных для пребывания в космосе в течение длительного времени, а также для любого объекта, предназначенного для возвращения на Землю, такого как космические капсулы с людьми или контейнеры для возврата образцов миссий по сбору космического вещества, таких как Stardust ( 1999–2006 гг.) [9] или Хаябуса (2005–2010 гг.). [10] [11] Исключениями из общего правила для космических аппаратов были американский космический корабль «Джемини СК-2» , советский космический корабль «Возвращаемый аппарат» (ВА) , американский орбитальный корабль «Шаттл» (середина 1970-х — 2011 гг., со 135 полетами в период с 1981 по 2011 гг.). 2011 г.) и советский «Буран» (1980–1988 гг., совершивший всего один беспилотный испытательный полет в 1988 г.). Оба этих космических корабля также были неотъемлемой частью стартовой системы (обеспечивающей ускорение запуска), а также работали в космосе как космические корабли средней продолжительности . Ситуация начала меняться в середине 2010-х годов.
В 2010-х годах космическая транспортная грузовая капсула одного из поставщиков, пополняющих запасы Международной космической станции, была спроектирована для повторного использования, а после 2017 года [12] НАСА начало разрешать повторное использование грузовых космических кораблей SpaceX Dragon на этих транспортных маршрутах, заключённых НАСА по контракту. . Это было началом проектирования и эксплуатации космического корабля многоразового использования .
Капсулы Boeing Starliner также снижают скорость падения с помощью парашютов и незадолго до приземления срабатывают подушки безопасности, чтобы поднять и повторно использовать транспортное средство.
По состоянию на 2021 год [update]SpaceX в настоящее время строит и тестирует космический корабль Starship , способный выдержать многократные гиперзвуковые входы в атмосферу через атмосферу , чтобы они стали по-настоящему многоразовыми космическими кораблями длительного действия; никаких эксплуатационных полетов звездолета еще не было.
Учитывая возможные надувные тепловые экраны , разработанные в США (надувной замедлитель для летных испытаний на низкой околоземной орбите - LOFTID) [13] и Китаем, [14] одноразовые ракеты, такие как система космического запуска , считаются модернизированными такими тепловыми экранами для спасти дорогие двигатели, возможно, значительно снизив затраты на запуски. [15] Тепловые экраны позволяют орбитальному космическому кораблю безопасно приземлиться, не расходуя слишком много топлива. Им не обязательно иметь форму надувных теплозащитных экранов, они могут просто иметь форму термостойких плиток, предотвращающих теплопроводность . Тепловые экраны также предлагаются для использования в сочетании с ретроградной тягой, чтобы обеспечить полную возможность повторного использования, как это показано в Starship .
Ступени многоразовых систем запуска, такие как Falcon 9 и New Shepard, используют ретроградное горение для схода с орбиты, входа в атмосферу и посадки. [ нужна цитата ]
Многоразовые системы могут иметь одну или несколько ступеней ( две или три ) для вывода на орбиту. Для некоторых или всех ступеней могут использоваться следующие типы систем приземления.
Это системы приземления, в которых используются парашюты и усиленная жесткая посадка, например, при приводнении в море или приземлении на суше. Последнее может потребовать включения двигателя непосредственно перед приземлением, поскольку сами по себе парашюты не могут достаточно замедлить корабль, чтобы предотвратить травмы астронавтов. Это можно увидеть в капсуле «Союза».
Хотя такие системы использовались с самого начала космонавтики для восстановления космических аппаратов, только позже эти аппараты стали использоваться повторно.
Например:
Одиночные или основные ступени, а также ускорители обратного хода могут использовать систему горизонтальной посадки. Эти транспортные средства приземляются на землю так же, как самолет, но при приземлении они обычно не используют топливо.
Примеры:
Вариантом является система буксировки с захватом в воздухе, которую продвигает компания EMBENTION в своем проекте FALCon. [16]
Транспортным средствам, которые приземляются горизонтально на взлетно-посадочную полосу, требуются крылья и ходовая часть. Обычно они потребляют около 9-12% массы посадочного аппарата, что либо уменьшает полезную нагрузку, либо увеличивает размер аппарата. Такие концепции, как несущие тела, предлагают некоторое снижение массы крыла, как и треугольная форма крыла космического челнока .
Такие системы, как McDonnell Douglas DC-X (Delta Clipper) и SpaceX , являются примерами ретроградной системы. Ракеты-носители Falcon 9 и Falcon Heavy приземляются, используя один из девяти двигателей. Ракета Falcon 9 — первая орбитальная ракета, первая ступень которой вертикально приземлилась на землю. Планируется, что первая ступень Starship приземлится вертикально, а вторую придется поймать руками после выполнения большинства типичных шагов ретроградной посадки. Суборбитальная ракета New Shepard компании Blue Origin также приземляется вертикально на стартовой площадке.
Ретроградная посадка обычно требует около 10% от общего количества топлива первой ступени, что снижает полезную нагрузку, которую можно нести из-за уравнения ракеты . [17]
Существует также концепция ракеты-носителя с надувной многоразовой первой ступенью. Форму этой структуры будет поддерживать избыточное внутреннее давление (с помощью легких газов). Предполагается, что объемная плотность первой ступени (без топлива) меньше объемной плотности воздуха. По возвращении из полета такая первая ступень остается плавать в воздухе (не касаясь поверхности Земли). Это гарантирует сохранение первой ступени для повторного использования. Увеличение размеров первой ступени увеличивает аэродинамические потери. Это приводит к небольшому уменьшению полезной нагрузки. Такое снижение полезной нагрузки компенсируется повторным использованием первой ступени. [18]
Многоразовые ступени весят больше, чем эквивалентные одноразовые ступени . Это неизбежно из-за дополнительных систем, шасси и/или излишков топлива, необходимых для приземления ступени. Фактический штраф за массу зависит от транспортного средства и выбранного режима возврата. [19]
После приземления ракеты-носителя ее, возможно, придется отремонтировать, чтобы подготовить к следующему полету. Этот процесс может быть длительным и дорогостоящим. После ремонта ракета-носитель, возможно, не сможет быть повторно сертифицирована для использования человеком, хотя SpaceX запускала повторно использованные ускорители Falcon 9 для пилотируемых миссий. В конечном итоге существует ограничение на то, сколько раз пусковую установку можно ремонтировать, прежде чем ее придется вывести из эксплуатации, но частота повторного использования пусковой установки существенно различается в зависимости от конструкции пусковой системы.
С развитием ракетных двигателей в первой половине двадцатого века космические путешествия стали технической возможностью.
Ранние идеи одноступенчатого многоразового космического самолета оказались нереалистичными, и хотя даже первые практические ракеты ( Фау-2 ) могли достичь окраин космоса, технология многоразового использования была слишком тяжелой. Кроме того, многие ранние ракеты были разработаны для доставки оружия, что делало повторное использование невозможным по конструкции. Проблема массовой эффективности была решена за счет использования нескольких одноразовых ступеней в многоступенчатой ракете вертикального старта . ВВС США и NACA изучали орбитальные космические самолеты многоразового использования с 1958 года, например Dyna-Soar , но первые многоразовые ступени не летали до появления американского космического корабля «Шаттл» в 1981 году.
Возможно, первыми многоразовыми ракетами-носителями были те, которые были концептуализированы и изучены Вернером фон Брауном с 1948 по 1956 год. Паромная ракета фон Брауна претерпела две модификации: один раз в 1952 году и еще раз в 1956 году. Они приземлялись с помощью парашютов. [20] [21]
General Dynamics Nexus был предложен в 1960-х годах как полностью многоразовый преемник ракеты Сатурн V, способный доставлять на орбиту до 450–910 т (990 000–2 000 000 фунтов). [22] [23] См. также «Морской дракон » и «Дуглас САССТО» .
Исследования BAC Mustard начались в 1964 году. Он должен был состоять из трех идентичных космических самолетов, соединенных вместе и расположенных в два этапа. Во время подъема два внешних космических самолета, составлявших первую ступень, отделились и по отдельности полетели обратно на Землю. Он был отменен после последней проработки конструкции в 1967 году из-за отсутствия средств на разработку. [24]
НАСА начало процесс проектирования космического корабля "Шаттл" в 1968 году с целью создания полностью многоразового космического самолета с использованием летающего ускорителя с экипажем . Эта концепция оказалась дорогой и сложной, поэтому конструкция была сокращена до многоразовых твердотопливных ускорителей и одноразового внешнего бака . [25] [26] Космический шаттл «Колумбия» запускался и приземлялся 27 раз и погиб вместе со всем экипажем при 28-й попытке приземления; «Челленджер» запускался и приземлялся 9 раз и погиб вместе со всем экипажем при 10-й попытке запуска; «Дискавери» запускался и приземлялся 39 раз; Атлантида запускалась и приземлялась 33 раза.
В 1986 году президент Рональд Рейган призвал к созданию Национального аэрокосмического самолета с воздушно-реактивным двигателем (NASP)/ X-30 . Проект провалился из-за технических проблем и был отменен в 1993 году. [27]
В конце 1980-х годов была предложена полностью многоразовая версия ракеты «Энергия» — «Энергия-II». Его ускорители и основная часть могли бы приземлиться на взлетно-посадочную полосу по отдельности. [28]
В 1990-х годах предложение McDonnell Douglas Delta Clipper VTOL SSTO перешло на стадию испытаний. Прототип DC-X продемонстрировал быстрое время выполнения работ и автоматическое компьютерное управление.
В середине 1990-х годов британские исследования превратили более раннюю конструкцию HOTOL в гораздо более многообещающую конструкцию Skylon , которая все еще находится в разработке.
С конца 1990-х по 2000-е годы Европейское космическое агентство изучало восстановление твердотопливных ракетных ускорителей Ariane 5 . [29] Последняя попытка восстановления состоялась в 2009 году. [30]
Коммерческие предприятия Rocketplane Kistler и Rotary Rocket пытались создать многоразовые ракеты частной разработки, прежде чем обанкротились. [ нужна цитата ]
НАСА предложило концепции многоразового использования для замены технологии «Шаттл» для демонстрации в рамках программ X-33 и X-34 , которые были отменены в начале 2000-х годов из-за роста затрат и технических проблем.
Конкурс Ansari X Prize был направлен на разработку частных суборбитальных многоразовых аппаратов. Многие частные компании соревновались, и победителем стала компания Scaled Composites , которая дважды за две недели достигла линии Кармана на своем многоразовом SpaceShipOne .
В 2012 году SpaceX начала программу летных испытаний экспериментальных аппаратов . Впоследствии это привело к разработке многоразовой ракетной установки Falcon 9 . [31]
23 ноября 2015 года ракета New Shepard стала первой суборбитальной ракетой с вертикальным взлетом и вертикальной посадкой (VTVL), которая достигла космоса, пройдя линию Кармана (100 км или 62 мили), достигнув высоты 329 839 футов (100 535 м) перед возвращением. для реактивной посадки. [32] [33]
SpaceX осуществила первую вертикальную мягкую посадку ступени многоразовой орбитальной ракеты 21 декабря 2015 года после доставки на низкую околоземную орбиту 11 коммерческих спутников Orbcomm OG-2 . [34]
Первое повторное использование первой ступени Falcon 9 произошло 30 марта 2017 года. [35] В настоящее время SpaceX регулярно восстанавливает и повторно использует свои первые ступени, а также повторно использует обтекатели . [36]
В 2019 году Rocket Lab объявила о планах восстановить и повторно использовать первую ступень своей ракеты-носителя Electron , намереваясь использовать парашюты и подъем в воздухе . [37] 20 ноября 2020 года Rocket Lab успешно вернула первую ступень Electron с орбитального запуска, ступень мягко приводнилась в Тихом океане. [38]
Китай исследует возможность повторного использования системы «Великий поход-8» . [39]
По состоянию на май 2020 года [update]единственными действующими многоразовыми системами запуска орбитального класса являются Falcon 9 и Falcon Heavy , последняя из которых основана на Falcon 9. SpaceX также разрабатывает полностью многоразовую систему запуска Starship . [40] Blue Origin разрабатывает собственную частично многоразовую орбитальную ракету New Glenn , поскольку намерена восстанавливать и повторно использовать только первую ступень.
5 октября 2020 года Роскосмос подписал для «Амура» контракт на разработку новой ракеты-носителя с многоразовой первой ступенью. [41]
В декабре 2020 года ЕКА подписало контракты на начало разработки THEMIS, прототипа многоразовой ракеты-носителя первой ступени. [42]
После 1980 г., но до 2010-х гг., две орбитальные ракеты-носители разработали возможность возвращения на космодром (РТЛС). И американский «Шаттл» — с одним из его режимов прерывания [43] [44] — и советский «Буран» [45] имели заложенную возможность возвращать часть ракеты-носителя на стартовую площадку посредством механизма горизонтального спуска . посадка космической части ракеты -носителя. В обоих случаях основная конструкция тяги корабля и большой топливный бак были расходными , как это было стандартной процедурой для всех орбитальных ракет-носителей, летавших до того времени. Оба впоследствии были продемонстрированы в реальных номинальных орбитальных полетах, хотя оба также имели режим прерывания во время запуска, который предположительно мог позволить экипажу посадить космический самолет после нештатного запуска.
В 2000-х годах SpaceX и Blue Origin в частном порядке разработали ряд технологий для поддержки вертикальной посадки разгонной ступени ракеты-носителя. После 2010 года компания SpaceX взялась за программу разработки по приобретению возможности возвращать и вертикально приземлять часть орбитальной ракеты-носителя Falcon 9 : первая ступень . Первая успешная посадка была совершена в декабре 2015 года, [46] с тех пор несколько дополнительных ступеней ракеты приземлились либо на посадочной площадке, прилегающей к стартовой площадке, либо на посадочной платформе в море, на некотором расстоянии от стартовой площадки. [47] Falcon Heavy аналогичным образом спроектирован так, чтобы повторно использовать три ядра, составляющие его первую ступень. Во время своего первого полета в феврале 2018 года два внешних ядра успешно вернулись на посадочные площадки стартовой площадки, в то время как центральное ядро нацелилось на посадочную платформу в море, но не приземлилось на нее. [48]
Blue Origin разработала аналогичные технологии для возвращения и посадки своего суборбитального New Shepard и успешно продемонстрировала возвращение в 2015 году, а также успешно повторно использовала ту же ракету-носитель во втором суборбитальном полете в январе 2016 года. [49] К октябрю 2016 года Blue совершил повторный полет и приземлился. успешно, ту же самую ракету-носитель в общей сложности пять раз. [50] Однако следует отметить, что траектории запуска обоих аппаратов сильно различаются: New Shepard движется прямо вверх и вниз, тогда как Falcon 9 должен снижать значительную горизонтальную скорость и возвращаться со значительного расстояния вниз.
И Blue Origin, и SpaceX также разрабатывают дополнительные многоразовые ракеты-носители. Blue разрабатывает первую ступень орбитальной ракеты- носителя New Glenn , которая будет многоразовой, первый полет запланирован не ранее 2024 года. SpaceX разрабатывает новую сверхтяжелую ракету-носитель для полетов в межпланетное пространство . SpaceX Starship предназначен для поддержки RTLS, вертикальной посадки и полного повторного использования как разгонной ступени, так и интегрированной второй ступени/большого космического корабля, которые предназначены для использования со Starship. [51] Первая попытка запуска состоялась в апреле 2023 года; однако обе ступени были потеряны во время восхождения.
{{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite AV media}}
: CS1 maint: location (link)