Многоразовая ракета-носитель имеет детали, которые могут быть восстановлены и повторно запущены, при этом неся полезные грузы с поверхности в открытый космос . Ракетные ступени являются наиболее распространенными деталями ракеты-носителя, предназначенными для повторного использования. Более мелкие детали, такие как ракетные двигатели и ускорители, также могут быть повторно использованы, хотя многоразовые космические аппараты могут быть запущены на одноразовой ракете-носителе. Многоразовым ракетам-носителям не нужно изготавливать эти детали для каждого запуска, поэтому значительно снижается стоимость запуска . Однако эти преимущества уменьшаются из-за стоимости восстановления и восстановления.
Многоразовые ракеты-носители могут содержать дополнительную авионику и топливо , что делает их тяжелее своих одноразовых аналогов. Повторно используемые детали могут нуждаться в том, чтобы войти в атмосферу и перемещаться через нее, поэтому они часто оснащены тепловыми экранами , решетчатыми ребрами и другими поверхностями управления полетом . Изменяя свою форму, космические самолеты могут использовать авиационную механику для помощи в восстановлении, например, скольжение или подъем . В атмосфере парашюты или тормозные ракеты также могут потребоваться для дальнейшего замедления. Многоразовым деталям также могут потребоваться специализированные средства восстановления, такие как взлетно-посадочные полосы или автономные беспилотные корабли-космодромы . Некоторые концепции полагаются на наземную инфраструктуру, такую как массовые двигатели, для предварительного ускорения ракеты-носителя.
По крайней мере с начала 20-го века в научной фантастике существовали одноступенчатые многоразовые ракеты-носители для вывода на орбиту . В 1960-х и 1970-х годах были изготовлены первые многоразовые ракеты-носители, названные Space Shuttle и Energia . Однако в 1990-х годах из-за того, что обе программы не оправдали ожиданий, концепции многоразовых ракет-носителей были сведены к испытаниям прототипов. Рост частных космических компаний в 2000-х и 2010-х годах привел к возрождению их разработок, таких как SpaceShipOne , New Shepard , Electron , Falcon 9 и Falcon Heavy . В настоящее время ожидается, что многие ракеты-носители дебютируют с возможностью повторного использования в 2020-х годах, такие как Starship , New Glenn , Neutron , Soyuz-7 , Ariane Next , Long March , Terran R и Dawn Mk-II Aurora. [1]
Влияние возможности повторного использования ракет-носителей стало основополагающим в космической отрасли. Настолько, что в 2024 году Космическая станция на мысе Канаверал инициировала 50-летний перспективный план для мыса, который включал в себя крупные обновления инфраструктуры (включая порт Канаверал ) для поддержки более высокой ожидаемой частоты запусков и посадочных площадок для нового поколения ракет. [2]
Многоразовые пусковые системы могут быть как полностью, так и частично многоразовыми.
Несколько компаний в настоящее время разрабатывают полностью многоразовые ракеты-носители по состоянию на март 2024 года. Каждая из них работает над двухступенчатой системой вывода на орбиту. SpaceX тестирует Starship , который находится в разработке с 2016 года и совершил первый испытательный полет в апреле 2023 года [3] и еще 4 полета по состоянию на октябрь 2024 года. Blue Origin с Project Jarvis начали разработку в начале 2021 года, но не объявили дату испытаний и не обсуждали проект публично. [4] Stoke Space также разрабатывает ракету, которую планируется использовать повторно. [5] [6]
По состоянию на октябрь 2024 года [обновлять]Starship является единственным полностью построенным и испытанным пусковым устройством , предназначенным для повторного использования. Последний испытательный полет состоялся 13 октября 2024 года, в ходе которого пусковое устройство выполнило суборбитальный запуск и во второй раз приземлило обе ступени. Сверхтяжелый ускоритель был успешно пойман «системой палочек» на орбитальной площадке A в первый раз. Корабль совершил второй успешный вход в атмосферу и вернулся для контролируемого приводнения в Индийском океане. Испытание стало вторым случаем, который можно считать соответствующим всем требованиям для полного повторного использования. [7] [ неудавшаяся проверка – см. обсуждение ]
Частично многоразовые системы запуска в виде многоступенчатых систем вывода на орбиту до сих пор были единственными многоразовыми конфигурациями, которые применялись.
Исторический Space Shuttle повторно использовал свои твердотопливные ракетные ускорители , свои двигатели RS-25 и орбитальный аппарат Space Shuttle , который действовал как ступень орбитального ввода, но он не использовал повторно внешний бак , который питал двигатели RS-25. Это пример многоразовой системы запуска, которая повторно использует определенные компоненты ракет. Vulcan Centaur ULA будет специально повторно использовать двигатели первой ступени, в то время как бак израсходован. Двигатели будут приводняться на надувной аэрооболочке , а затем будут восстановлены. 23 февраля 2024 года один из девяти двигателей Merlin, приводящих в действие ускоритель Falcon 9 , достиг орбиты в 22-й раз, сохранив его как наиболее повторно используемый жидкотопливный двигатель, используемый в оперативном порядке, уже превзойдя рекорд основного двигателя Space Shuttle № 2019 в 19 полетов.
По состоянию на 2024 год Falcon 9 и Falcon Heavy являются единственными орбитальными ракетами, которые повторно используют свои ускорители, хотя в разработке находится множество других систем. Все ракеты, запускаемые с самолета, повторно используют самолет.
Помимо этого, ряд неракетных систем взлета были предложены и исследованы с течением времени в качестве многоразовых систем для взлета, от воздушных шаров [8] [ релевантно? ] до космических лифтов . Существующие примеры - это системы, которые используют взлет с крылатым горизонтальным реактивным двигателем. Такие самолеты могут запускать одноразовые ракеты и из-за этого могут считаться частично многоразовыми системами, если самолет рассматривается как первая ступень ракеты-носителя. Примером такой конфигурации является Orbital Sciences Pegasus . Для суборбитального полета SpaceShipTwo использует для взлета самолет-носитель, его материнский корабль Scaled Composites White Knight Two . Rocket Lab работает над Neutron , а Европейское космическое агентство работает над Themis. Планируется, что оба аппарата будут возвращать первую ступень. [9] [10]
До сих пор большинство систем запуска достигали орбитального вывода с помощью по крайней мере частично израсходованных многоступенчатых ракет , особенно со второй и третьей ступенями. Только Space Shuttle добился повторного использования орбитальной ступени вывода, используя двигатели и топливный бак своего орбитального корабля . Космический самолет Buran и космический корабль Starship — два других многоразовых космических корабля, которые были разработаны для того, чтобы выступать в качестве орбитальных ступеней вывода, и были произведены, однако первый совершил только один беспилотный испытательный полет, прежде чем проект был отменен, а последний еще не введен в эксплуатацию, выполнив четыре орбитальных испытательных полета по состоянию на июнь 2024 года, который достиг всех своих целей миссии в четвертом полете.
Системы запуска могут быть объединены с многоразовыми космическими самолетами или капсулами. Орбитальный аппарат Space Shuttle , SpaceShipTwo , Dawn Mk-II Aurora и находящийся в стадии разработки индийский RLV-TD являются примерами многоразового космического аппарата ( космического самолета ), а также частью его системы запуска.
В более позднее время система запуска Falcon 9 использовала для вывода на орбиту многоразовых аппаратов, таких как Dragon 2 и X-37 , транспортируя два многоразовых аппарата одновременно.
Современные многоразовые орбитальные аппараты включают X-37, Dream Chaser , Dragon 2, индийский RLV-TD и готовящийся к выпуску европейский Space Rider (преемник IXV ).
Как и в случае с ракетами-носителями, все чисто космические аппараты в течение первых десятилетий человеческой способности совершать космические полеты были спроектированы как одноразовые предметы. Это было верно как для спутников , так и для космических зондов, предназначенных для длительного нахождения в космосе, а также для любых объектов, предназначенных для возвращения на Землю, таких как космические капсулы с людьми или контейнеры для возврата образцов миссий по сбору космического вещества, таких как Stardust (1999–2006) [11] или Hayabusa (2005–2010). [12] [13] Исключениями из общего правила для космических аппаратов были американский Gemini SC-2 , советский космический аппарат «Возвращаемый аппарат» (VA) , американский орбитальный аппарат Space Shuttle (середина 1970-х — 2011, совершивший 135 полетов между 1981 и 2011 годами) и советский Buran (1980–1988, совершивший всего один испытательный полет без экипажа в 1988 году). Оба этих космических корабля также были неотъемлемой частью системы запуска (обеспечивая ускорение запуска), а также работали в качестве космических кораблей средней продолжительности в космосе . Это начало 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, и после 2017 года [14] НАСА начало разрешать повторное использование грузового космического корабля SpaceX Dragon на этих транспортных маршрутах, контрактованных НАСА. Это было началом проектирования и эксплуатации многоразового космического аппарата .
Капсулы Boeing Starliner также снижают скорость падения с помощью парашютов и раскрывают подушку безопасности незадолго до приземления на землю, чтобы можно было поднять и повторно использовать транспортное средство.
По состоянию на 2021 год [обновлять]SpaceX строит и испытывает космический корабль Starship , способный выдерживать многократные гиперзвуковые входы в атмосферу , чтобы он стал по-настоящему многоразовым космическим кораблем длительного пребывания в воздухе; эксплуатационные полеты Starship пока не проводились.
С возможными надувными тепловыми экранами , разработанными США (Low Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator - LOFTID) [15] и Китаем [16] , одноразовые ракеты, такие как Space Launch System, считаются модернизированными такими тепловыми экранами, чтобы спасти дорогостоящие двигатели, возможно, значительно сократив стоимость запусков. [17] Тепловые экраны позволяют космическому кораблю на орбите безопасно приземляться, не расходуя много топлива. Им не обязательно иметь форму надувных тепловых экранов, они могут просто иметь форму термостойких плиток, которые предотвращают теплопроводность . Тепловые экраны также предлагаются для использования в сочетании с ретроградной тягой, чтобы обеспечить полную возможность повторного использования, как это показано в Starship .
Многоразовые ступени системы запуска, такие как Falcon 9 и New Shepard, используют ретроградные двигатели для входа в атмосферу и посадки. [ необходима цитата ]
Многоразовые системы могут быть одно- или многоступенчатыми ( двумя или тремя ) для орбитальных конфигураций. Для некоторых или всех ступеней могут использоваться следующие типы систем посадки.
Это системы посадки, которые используют парашюты и усиленные жесткие посадки, например, приводнение в море или приземление на землю. Последнее может потребовать включения двигателя непосредственно перед посадкой, поскольку одни только парашюты не могут достаточно замедлить корабль, чтобы предотвратить травмы астронавтов. Это можно увидеть в капсуле «Союз».
Хотя подобные системы использовались с самого начала космонавтики для спасения космических аппаратов, повторное использование аппаратов началось лишь позднее.
Например:
Одиночные или основные ступени, а также ускорители fly-back могут использовать горизонтальную систему посадки. Эти аппараты приземляются на землю так же, как самолет, но обычно не используют топливо во время посадки.
Вот примеры:
Вариантом является система буксировки с захватом в воздухе, которую предлагает компания EMBENTION в своем проекте FALCon. [18]
Транспортным средствам, которые приземляются горизонтально на взлетно-посадочную полосу, требуются крылья и шасси. Они обычно потребляют около 9-12% массы приземляющегося транспортного средства, [ нужна цитата ] что либо уменьшает полезную нагрузку, либо увеличивает размер транспортного средства. Такие концепции, как подъемные тела, предлагают некоторое снижение массы крыла, [ нужна цитата ] как и дельта-форма крыла Space Shuttle .
Такие системы, как McDonnell Douglas DC-X (Delta Clipper) и SpaceX, являются примерами ретроградной системы. Ускорители Falcon 9 и Falcon Heavy приземляются с использованием одного из своих девяти двигателей. Ракета Falcon 9 является первой орбитальной ракетой, которая вертикально приземлилась на землю своей первой ступенью. Планируется, что первая ступень Starship приземлится вертикально, а вторая будет подхвачена руками после выполнения большинства типичных шагов ретроградной посадки. Суборбитальная ракета New Shepard компании Blue Origin также приземляется вертикально обратно на стартовую площадку.
Для ретроградной посадки обычно требуется около 10% от общего объема топлива первой ступени, что снижает полезную нагрузку, которую можно переносить из-за уравнения ракеты . [19]
Существует также концепция ракеты-носителя с надувной, многоразовой первой ступенью. Форма этой конструкции будет поддерживаться избыточным внутренним давлением (с помощью легких газов). Предполагается, что объемная плотность первой ступени (без топлива) меньше объемной плотности воздуха. После возвращения из полета такая первая ступень остается плавающей в воздухе (не касаясь поверхности Земли). Это обеспечит сохранение первой ступени для повторного использования. Увеличение размера первой ступени увеличивает аэродинамические потери. Это приводит к небольшому уменьшению полезной нагрузки. Это уменьшение полезной нагрузки компенсируется повторным использованием первой ступени. [20]
Многоразовые ступени весят больше, чем эквивалентные одноразовые ступени . Это неизбежно из-за дополнительных систем, шасси и/или излишков топлива, необходимых для посадки ступени. Фактическое снижение массы зависит от транспортного средства и выбранного режима возврата. [21]
После приземления пусковой установки ее, возможно, придется отремонтировать, чтобы подготовить к следующему полету. Этот процесс может быть длительным и дорогим. После ремонта пусковую установку, возможно, не удастся повторно сертифицировать как пригодную для запуска людьми, хотя SpaceX запускала повторно используемые ускорители Falcon 9 для пилотируемых миссий. В конечном итоге существует ограничение на то, сколько раз пусковая установка может быть отремонтирована, прежде чем ее придется списать, но то, как часто пусковая установка может быть повторно использована, существенно различается в зависимости от конструкции системы запуска.
С развитием ракетного движения в первой половине двадцатого века космические путешествия стали технически возможными.
Ранние идеи одноступенчатого многоразового космоплана оказались нереалистичными, и хотя даже первые практические ракеты-носители ( V-2 ) могли достичь границ космоса, многоразовая технология была слишком тяжелой. Кроме того, многие ранние ракеты были разработаны для доставки оружия, что делало повторное использование невозможным по своей конструкции. Проблема массовой эффективности была преодолена путем использования нескольких одноразовых ступеней в многоступенчатой ракете вертикального запуска . ВВС США и NACA изучали орбитальные многоразовые космопланы с 1958 года, например, Dyna-Soar , но первые многоразовые ступени не летали до появления американского космического челнока в 1981 году.
Возможно, первыми многоразовыми ракетами-носителями были те, которые концептуализировал и изучал Вернер фон Браун с 1948 по 1956 год. Ракета-носитель фон Брауна претерпела две модификации: одну в 1952 году и еще одну в 1956 году. Они приземлялись с помощью парашютов. [22] [23]
General Dynamics Nexus был предложен в 1960-х годах как полностью многоразовый преемник ракеты Saturn V, способный выводить на орбиту до 450–910 тонн (990 000–2 000 000 фунтов). [24] [25] См. также Sea Dragon и Douglas SASSTO .
Проект BAC Mustard изучался с 1964 года. Он должен был состоять из трех одинаковых космических самолетов, соединенных вместе и организованных в две ступени. Во время подъема два внешних космических самолета, которые составляли первую ступень, отделялись и по отдельности скользили обратно на Землю. Проект был отменен после последнего исследования конструкции в 1967 году из-за нехватки средств на разработку. [26]
NASA начало процесс проектирования Space Shuttle в 1968 году с целью создания полностью многоразового космического самолета с использованием пилотируемого ускорителя обратного полета . Эта концепция оказалась дорогой и сложной, поэтому проект был сокращен до многоразовых твердотопливных ракетных ускорителей и расходуемого внешнего бака . [27] [28] Space Shuttle Columbia запускался и приземлялся 27 раз и был потерян со всем экипажем при 28-й попытке посадки; Challenger запускался и приземлялся 9 раз и был потерян со всем экипажем при 10-й попытке запуска; Discovery запускался и приземлялся 39 раз; Atlantis запускался и приземлялся 33 раза.
В 1986 году президент Рональд Рейган призвал к созданию воздушно-реактивного гиперзвукового самолета National Aerospace Plane (NASP)/ X-30 . Проект провалился из-за технических проблем и был отменен в 1993 году. [29]
В конце 1980-х годов была предложена полностью многоразовая версия ракеты «Энергия» — «Энергия II». Ее ускорители и ядро могли бы приземляться на взлетно-посадочную полосу раздельно. [30]
В 1990-х годах предложение McDonnell Douglas Delta Clipper VTOL SSTO перешло в фазу испытаний. Прототип DC-X продемонстрировал быстрое время выполнения и автоматическое компьютерное управление.
В середине 1990-х годов британские исследователи усовершенствовали более раннюю конструкцию HOTOL в гораздо более перспективную конструкцию Skylon , которая до сих пор находится в разработке.
С конца 1990-х по 2000-е годы Европейское космическое агентство изучало восстановление твердотопливных ускорителей ракеты Ariane 5. [31] Последняя попытка восстановления была предпринята в 2009 году. [32]
Коммерческие предприятия Rocketplane Kistler и Rotary Rocket пытались построить многоразовые ракеты частной разработки, прежде чем обанкротились. [ необходима цитата ]
НАСА предложило многоразовые концепции для замены технологии «Шаттла», которые планировалось продемонстрировать в рамках программ X-33 и X-34 , обе из которых 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. В нем приняли участие многие частные компании, а победителем стала Scaled Composites , которая дважды за две недели достигла линии Кармана со своим многоразовым SpaceShipOne .
В 2012 году SpaceX начала программу летных испытаний с экспериментальными аппаратами . Впоследствии они привели к разработке многоразовой ракеты-носителя Falcon 9. [33]
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. [34] [35]
SpaceX осуществила первую вертикальную мягкую посадку многоразовой орбитальной ступени ракеты 21 декабря 2015 года, выведя на низкую околоземную орбиту 11 коммерческих спутников Orbcomm OG-2 . [36]
Первое повторное использование первой ступени Falcon 9 произошло 30 марта 2017 года. [37] SpaceX теперь регулярно восстанавливает и повторно использует свои первые ступени, а также повторно использует обтекатели . [38]
В 2019 году Rocket Lab объявила о планах по восстановлению и повторному использованию первой ступени своей ракеты-носителя Electron , намереваясь использовать парашюты и возврат в воздухе . [39] 20 ноября 2020 года Rocket Lab успешно вернула первую ступень Electron с орбитального запуска, ступень мягко приводнилась в Тихом океане. [40]
Китай изучает возможность повторного использования системы «Чанчжэн-8» . [41]
По состоянию на май 2020 года [обновлять]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 . [42] Blue Origin разрабатывает собственную частично многоразовую орбитальную ракету New Glenn , поскольку она намерена восстанавливать и повторно использовать только первую ступень.
5 октября 2020 года Роскосмос подписал контракт на разработку «Амур» — новой ракеты-носителя с многоразовой первой ступенью. [43]
В декабре 2020 года ЕКА подписало контракты на начало разработки THEMIS — прототипа многоразовой ракеты-носителя первой ступени. [44]
После 1980 года, но до 2010-х годов, две орбитальные ракеты-носители разработали возможность возвращения на стартовую площадку (RTLS). И американский космический челнок — с одним из его режимов прерывания [45] [46] — и советский Буран [47] имели встроенную возможность возвращать часть ракеты-носителя на стартовую площадку с помощью механизма горизонтальной посадки части космического самолета ракеты-носителя. В обоих случаях основная тяговая конструкция ракеты-носителя и большой топливный бак были расходуемыми , как это было стандартной процедурой для всех орбитальных ракет-носителей, запущенных до этого времени. Оба впоследствии были продемонстрированы в реальных орбитальных номинальных полетах, хотя оба также имели режим прерывания во время запуска, который мог предположительно позволить экипажу посадить космоплан после нештатного запуска.
В 2000-х годах и SpaceX , и Blue Origin в частном порядке разработали набор технологий для поддержки вертикальной посадки ступени разгонного блока ракеты-носителя. После 2010 года SpaceX начала программу разработки , чтобы получить возможность вернуть и вертикально посадить часть орбитальной ракеты-носителя Falcon 9 : первую ступень . Первая успешная посадка была осуществлена в декабре 2015 года, [48] с тех пор несколько дополнительных ступеней ракеты приземлились либо на посадочной площадке, прилегающей к месту запуска, либо на посадочной платформе в море, на некотором расстоянии от места запуска. [49] Falcon Heavy также спроектирована для повторного использования трех ядер, составляющих ее первую ступень. Во время своего первого полета в феврале 2018 года два внешних ядра успешно вернулись на посадочные площадки места запуска, в то время как центральное ядро нацелилось на посадочную платформу в море, но не смогло успешно приземлиться на нее. [50]
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 тот же ускоритель во втором суборбитальном полете в январе 2016 года. [51] К октябрю 2016 года Blue повторно запустила и успешно приземлила ту же самую ракету-носитель в общей сложности пять раз. [52] Однако следует отметить, что траектории запуска обоих аппаратов сильно различаются: New Shepard движется прямо вверх и вниз, не достигая орбитального полета, тогда как Falcon 9 должен погасить значительную горизонтальную скорость и вернуться со значительного расстояния вниз, одновременно доставляя полезную нагрузку на орбиту с помощью второй ступени.
У Blue Origin и SpaceX также есть дополнительные многоразовые ракеты-носители в стадии разработки. Blue разрабатывает первую ступень орбитальной ракеты-носителя New Glenn LV, которая будет многоразовой, а первый полет запланирован не ранее 2024 года. У SpaceX есть новая сверхтяжелая ракета-носитель в стадии разработки для миссий в межпланетное пространство . SpaceX Starship предназначен для поддержки RTLS, вертикальной посадки и полного повторного использования как ступени ускорителя, так и интегрированной второй ступени/большого космического корабля, которые предназначены для использования со Starship. [53] Его первая попытка запуска состоялась в апреле 2023 года; однако обе ступени были потеряны во время подъема. Однако при четвертой попытке запуска и ускоритель, и корабль достигли мягкой посадки в Мексиканском заливе и Индийском океане соответственно.
{{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite AV media}}
: CS1 maint: местоположение ( ссылка )