Ракета -носитель — это, как правило, ракетное транспортное средство, предназначенное для доставки полезной нагрузки (пилотируемого космического корабля или спутников ) с поверхности Земли или нижних слоев атмосферы в открытый космос . Наиболее распространенной формой является многоступенчатая ракета в форме баллистической ракеты , но этот термин является более общим и также охватывает такие транспортные средства, как космический челнок . Большинство ракет-носителей работают со стартовой площадки , поддерживаемой центром управления запуском и такими системами, как сборка и заправка транспортного средства. [1] Ракеты-носители спроектированы с использованием передовой аэродинамики и технологий, что способствует высоким эксплуатационным расходам.
Орбитальная ракета -носитель должна поднять свой полезный груз по крайней мере до границы космоса, примерно 150 км (93 мили) и разогнать его до горизонтальной скорости не менее 7814 м/с (17 480 миль/ч). [2] Суборбитальные аппараты запускают свой полезный груз на более низкой скорости или запускаются под углами возвышения, большими горизонтальных.
Практические орбитальные ракеты-носители используют химическое топливо , такое как твердое топливо , жидкий водород , керосин , жидкий кислород или гиперголическое топливо .
Ракеты-носители классифицируются по грузоподъемности на орбите: от малых , средних , тяжелых до сверхтяжелых .
Ракеты-носители классифицируются NASA в зависимости от грузоподъемности на низкой околоземной орбите : [7]
Зондирующие ракеты похожи на ракеты-носители малой грузоподъемности, однако они обычно еще меньше и не выводят полезные грузы на орбиту. Модифицированная зондирующая ракета SS-520 использовалась для вывода 4-килограммовой полезной нагрузки ( TRICOM-1R ) на орбиту в 2018 году. [11]
Орбитальный космический полет требует, чтобы полезный груз спутника или космического корабля был ускорен до очень высокой скорости. В вакууме космоса силы реакции должны быть обеспечены выбросом массы, что приводит к уравнению ракеты . Физика космического полета такова, что для достижения желаемой орбиты обычно требуются ступени ракеты . [ необходима цитата ]
Расходные ракеты-носители предназначены для одноразового использования, с ускорителями, которые обычно отделяются от своей полезной нагрузки и распадаются при входе в атмосферу или при контакте с землей. Напротив, многоразовые ракеты-носители предназначены для восстановления в целости и сохранности и повторного запуска. Falcon 9 является примером многоразовой ракеты-носителя. [12] По состоянию на 2023 год все многоразовые ракеты-носители, которые когда-либо эксплуатировались, были частично многоразовыми, то есть некоторые компоненты восстанавливаются, а другие — нет. Обычно это означает восстановление определенных ступеней, обычно только первой ступени, но иногда определенные компоненты ступени ракеты могут быть восстановлены, а другие — нет. Например, Space Shuttle восстановил и повторно использовал свои твердотопливные ракетные ускорители , орбитальный аппарат Space Shuttle , который также действовал как вторая ступень, и двигатели, используемые основной ступенью ( RS-25 , который был расположен в задней части орбитального аппарата), однако топливный бак, из которого двигатели получали топливо, который был отделен от двигателей, не использовался повторно. [ необходима цитата ]
Например, Европейское космическое агентство отвечает за Ariane V , а United Launch Alliance производит и запускает ракеты Delta IV и Atlas V. [ необходима цитата ]
Стартовые площадки могут быть расположены на суше ( космодром ), на стационарной океанской платформе ( Сан-Марко ), на мобильной океанской платформе ( Морской старт ) и на подводной лодке . Ракеты-носители также могут быть запущены с воздуха . [ требуется ссылка ]
Ракета-носитель стартует с полезной нагрузкой в каком-то месте на поверхности Земли. Чтобы достичь орбиты, аппарат должен двигаться вертикально, чтобы покинуть атмосферу , и горизонтально, чтобы избежать повторного контакта с землей. Требуемая скорость варьируется в зависимости от орбиты, но всегда будет экстремальной по сравнению со скоростями, встречающимися в обычной жизни. [ необходима цитата ]
Ракеты-носители обеспечивают различную степень производительности. Например, спутник, направляющийся на геостационарную орбиту (GEO), может быть либо напрямую выведен верхней ступенью ракеты-носителя, либо запущен на геостационарную переходную орбиту (GTO). Прямое выведение предъявляет более высокие требования к ракете-носителю, в то время как GTO более требователен к космическому аппарату. Оказавшись на орбите, верхние ступени ракеты-носителя и спутники могут иметь перекрывающиеся возможности, хотя верхние ступени, как правило, имеют орбитальный срок службы, измеряемый часами или днями, в то время как космические аппараты могут работать десятилетиями. [ необходима цитата ]
Распределенный запуск подразумевает достижение цели с помощью нескольких запусков космических аппаратов. Большой космический аппарат, такой как Международная космическая станция, может быть построен путем сборки модулей на орбите или путем переноса топлива в космосе , что значительно увеличивает возможности delta-V цислунарного или глубокого космического аппарата. Распределенный запуск позволяет осуществлять космические миссии, которые невозможны при архитектуре с одним запуском. [13]
Архитектуры миссий для распределенного запуска были исследованы в 2000-х годах [14], а ракеты-носители с интегрированной встроенной возможностью распределенного запуска начали разрабатываться в 2017 году с проектом Starship . Стандартная архитектура запуска Starship заключается в дозаправке космического корабля на низкой околоземной орбите , чтобы позволить кораблю отправлять тяжелые полезные грузы в гораздо более энергичных миссиях. [15]
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 [16] [17] — и советский Буран [18] 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. [ необходима цитата ]
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, [19] с 2017 года ступени ракеты обычно приземляются либо на посадочную площадку, прилегающую к месту запуска, либо на посадочную платформу в море, на некотором расстоянии от места запуска. [20] 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 стартовой площадки, в то время как центральное ядро нацелилось на посадочную платформу в море, но не смогло успешно приземлиться на нее. [21]
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. [22] К октябрю 2016 года Blue повторно запустила и успешно приземлилась на том же самом носителе в общей сложности пять раз. [23] Однако следует отметить, что траектории запуска обоих аппаратов сильно различаются: New Shepard идет прямо вверх и вниз, тогда как Falcon 9 должен погасить значительную горизонтальную скорость и вернуться со значительного расстояния вниз по дальности. [ необходима цитата ]
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. [24] Его первая попытка запуска состоялась в апреле 2023 года; однако обе ступени были потеряны во время подъема. [ необходима цитата ] Однако пятая попытка запуска удалась — удалось поймать нижнюю ступень и успешно выполнить контролируемый вход верхней ступени.
