Двухступенчатая ракета -носитель ( TSTO ) — это ракета-носитель , в которой две отдельные ступени обеспечивают последовательное движение для достижения орбитальной скорости. Она занимает промежуточное положение между трехступенчатой ракетой- носителем и гипотетической одноступенчатой ракетой-носителем (SSTO).
При старте первая ступень отвечает за ускорение транспортного средства. В какой-то момент вторая ступень отделяется от первой и продолжает движение по орбите самостоятельно.
Преимущество такой системы по сравнению с одноступенчатой системой вывода на орбиту заключается в том, что большая часть сухой массы транспортного средства не выводится на орбиту. Это снижает затраты, связанные с достижением орбитальной скорости, поскольку большая часть массы конструкции и двигателя выбрасывается, а больший процент орбитальной массы составляет масса полезной нагрузки. [1]
Преимуществом по сравнению с тремя и более этапами является снижение сложности и уменьшение количества событий разделения , что снижает стоимость и риск отказа. [2]
Не всегда ясно, является ли транспортное средство TSTO, из-за использования прицепных ускорителей при запуске. Они сбрасываются на ранней стадии полета и могут или не могут считаться дополнительной ступенью, если основной двигатель(и) продолжают работать. Иногда их считают половиной ступени, что приводит к выражению «полутораступенчатый выход на орбиту» (1,5STO), например, для Long March 5B [3] или ракеты Atlas , [4] [5], которая представляла собой одну основную ступень с дополнительными ускорителями. Аналогично, двухступенчатые конструкции с дополнительными ускорителями могут называться 2,5-ступенчатыми ракетами, например, Ariane 5 или большинство вариантов Atlas V (все, кроме 401 и 501).
В отношении многоразовой системы запуска этот подход часто предлагается в качестве альтернативы одноступенчатой системе запуска на орбиту (или SSTO ). Его сторонники утверждают, что, поскольку каждая ступень может иметь более низкое отношение масс , чем система запуска SSTO, такая система может быть построена дальше от пределов ее конструкционных материалов. Утверждается, что двухступенчатая конструкция должна требовать меньшего обслуживания, меньшего количества испытаний, испытывать меньше отказов и иметь более длительный срок службы. Кроме того, двухступенчатый подход позволяет оптимизировать нижнюю ступень для работы в нижних слоях атмосферы Земли, где давление и сопротивление высоки, в то время как верхняя ступень может быть оптимизирована для работы в условиях, близких к вакууму, на более поздней стадии запуска. Это позволяет увеличить долю массы полезной нагрузки двухступенчатого транспортного средства по сравнению с одноступенчатыми или полутораступенчатыми транспортными средствами, которые должны работать в обеих средах, используя одно и то же оборудование. [ необходима цитата ]
Критики утверждают [ кто? ], что возросшая сложность проектирования двух отдельных ступеней, которые должны взаимодействовать, логистика, связанная с возвращением первой ступени на стартовую площадку, и трудности проведения дополнительных испытаний на второй ступени перевесят эти преимущества. В случае с нижними ступенями, подобными самолету, они также утверждают, насколько сложно и дорого разрабатывать и эксплуатировать высокоскоростные самолеты (например, SR-71 ), и подвергают сомнению заявленные характеристики. Многие проекты «мини-шаттлов», которые используют транспортные самолеты в качестве первых ступеней, также сталкиваются с похожими проблемами со льдом/пеной, как и у Space Shuttle, из-за необходимости нести большой внешний бак для топлива. [ нужна цитата ]
По состоянию на 2023 год SpaceX и NASA являются единственными поставщиками услуг запуска, которые добились повторного использования первой ступени орбитального корабля с двухступенчатой Falcon 9 и 2,5-ступенчатой Falcon Heavy от SpaceX, а также твердотопливными ракетными ускорителями Space Shuttle от NASA . Rocket Lab восстановила несколько первых ступеней своей ракеты Electron , но больше не запускала ее.
Принимая во внимание, что самолетоподобные операции не приводят к самолетоподобному внешнему виду, некоторые многоразовые концепции TSTO имеют первые ступени, которые работают как самолеты VTOL или VTOHL . DC-X доказал работоспособность конструкции варианта VTOL. Другие конструкции, такие как концепция DH-1, идут на шаг дальше и используют подход «всплывание/всплывание», который доставляет орбитальную ступень в точку примерно в 60 км над поверхностью Земли, прежде чем снова спуститься на стартовую площадку. В случае DH-1 верхняя ступень фактически является «почти SSTO» с более реалистичной массовой долей и которая была оптимизирована для надежности.
Некоторые конструкции TSTO включают в себя первую ступень, похожую на самолет , и вторую ступень, похожую на ракету . Элементами самолета могут быть крылья, воздушно-реактивные двигатели или и то, и другое. Такой подход привлекателен, поскольку он превращает атмосферу Земли из препятствия в преимущество. Выше определенной скорости и высоты крылья и гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели перестают быть эффективными, и ракета развертывается для завершения полета на орбиту.
Saenger (космический корабль) был одним из первых концептов такого типа.
Хотя успешный частный суборбитальный космический корабль SpaceShipOne , разработанный для Ansari X Prize, не является орбитальным, он продемонстрировал, что двухступенчатая система с крылатым самолетом в качестве «нижней половины» может достичь края космоса . Команда SpaceShipOne построила и запустила коммерческую суборбитальную пусковую систему — SpaceShipTwo — на основе этой технологии.
Ракета Pegasus при запуске с самолета не является двухступенчатой системой вывода на орбиту, поскольку сама ракетная часть состоит из нескольких ступеней.