Космические ракеты: Переход количества в качество?

Сейчас в мировой аэрокосмической промышленности можно увидеть множество различных проектов ракет-носителей – причем в диапазоне от американского сверхтяжелого SpaceX Starship массой 5000 т до сверхлегкого южнокорейского Perigee Blue Whale 1 (полная масса лишь 2,2 т). Какие-то уже находятся на разных стадиях готовности, какие-то все еще остаются «на бумаге». Ко всему этому добавилось немало проектов двигателей различного уровня сложности – метаново-кислородные, керосиново-кислородные, водородно-кислородные ЖРД (жидкостные ракетные двигатели), твердотопливные двигатели, плюс конструкторы все чаще присматриваются к гибридным ракетным двигателям, в которых одновременно используют твердые и жидкие компоненты топлива (например, парафин плюс жидкий кислород).

Однако во всем этом разнообразии все чаще проглядывает одна конструкторская тенденция, которая стала популярной благодаря SpaceX (мировой лидер на рынке запусков) и Rocket Lab (более трех десятков запусков сверхлегкой ракеты-носителя Electron в 2017-2023 годах). Начало увеличиваться количество двигателей на первых ступенях – появились уже десятки проектов ракет, которые насчитывают по семь-девять маршевых двигателей (SpaceX Falcon 9, Rocket Lab Electron, Rocket Lab Neutron, Blue Origin New Glenn, Firefly Beta, Antares 330, Ariane Next).

Этот подход позволяет получить необходимую тягу с помощью большего количества не самых мощных двигателей – как у SpaceX, которому на своих Falcon пришлось пройти долгий путь от Merlin 1A (первые образцы давали тягу 35 т) до нынешних Merlin 1D+ (почти 90 т). Кроме того, сейчас во многие проекты ракет-носителей все чаще стараются закладывать возможность многоразового использования первых ступеней. Однако подобная концепция все еще требует немалого количества двигателей – минимум пять, причем один из них желательно разместить в центре такого «пакета» (хотя некоторые компании в своих разработках уже пытаются отойти от этого невольного «стандарта»).

В прошлом ракетостроители старались не множить количество двигателей на первой ступени – чем их больше, тем выше риск отказов и проблем (о чем свидетельствует опыт советской лунной ракеты Н-1 с ее 30 двигателями). Хотя есть и примеры успешных ракет с большим количеством маршевых двигателей – можно вспомнить Saturn I/IB (восемь Rocketdyne H-1) и «Протон» (шесть РД-253/275). Но в свое время они все-таки больше были исключением из правила. Почему же сейчас так активизировался процесс перехода к многодвигательным конструкциям? О возможности получить большую суммарную тягу уже было сказано выше. Кроме того, современные системы контроля качества и методики предварительных испытаний позволили повысить надежность ракетных двигателей. Плюс интенсивное развитие кибернетики и электронных систем дало возможность эффективного управления большим количеством двигателей одновременно и в различных режимах, вплоть до возвращения и посадки ступеней – доказано SpaceX с его Falcon 9/Heavy.

Сейчас попробуем собрать в одной статье немного общей информации о некоторых проектах многодвигательных ракет-носителей, в основном легкого класса (с выводом до 2 тонн груза на орбиту). Тем более, каждая компания прошла свой путь в этом направлении – где-то сразу сделали ставку на большое количество небольших двигателей, где-то пришлось поумерить свои амбиции по части создания мощных ракетных двигателей, где-то сработал стереотип «Скопировать удачную концепцию и добиться успеха» (как в одной компании из РФ, которая сначала работала над проектом твердотопливной легкой ракеты, но после разрыва отношений с южнокорейским партнером поспешно пообещала «принципиально новый» проект частично многоразовой ракеты-носителя, которая выглядит как уменьшенный вдвое Falcon 9).

Ракета-носитель RS1 (компания ABL Space Systems, США)
Наглядный пример, как конструкторам пришлось постоянно пересматривать свою концепцию простой и недорогой ракеты – главным образом, из-за отсутствия достаточно мощных ЖРД. Первая версия была разработана еще в 2017-2018 годах в сотрудничестве с компанией Ursa Major Technologies, которая должна была поставлять керосиново-кислородные двигатели закрытого цикла – Ripley (тяга от 16 до 22-23 т) и Hadley (2,3-2,8 т). Общая концепция – два Ripley LRE на первой ступени (суммарная тяга 32 т) и один Hadley на второй ступени (до 2,8 т), вывод на орбиту 650-800 кг груза.

Но вскоре ABL Space Systems «развелась» с Ursa Major Technologies и занялась разработкой собственных двигателей – так появились проекты керосиново-кислородных ЖРД открытого цикла, E1 (тяга 19 т) и Е2 (до 6 т). В итоге в 2019 году появилась обновленная концепция более мощной версии ракеты RS1 – три E1 на первой ступени (суммарная тяга до 57 т) и один E2 на второй (5,8 т), вывод от 900 до 1200 кг груза на орбиту.

Однако этот вариант тоже «затормозил», так как проект более мощного Е1 далек от завершения – пришлось сделать ставку на Е2 и пойти путем «размножения» двигателей на первой ступени. В итоге нынешняя версия RS1 (уже записала на свой счет неудачный запуск 10 января 2023 года) выглядит следующим образом – девять Е2 на первой ступени (тяга около 50 т), один E2 Vacuum на второй (5,8 т), грузоподъемность до 1350 кг. Кстати, на некоторых фотографиях можно увидеть, что топливные магистрали в первой ступени RS1 разделены на три группы по три линии в каждой – действительно выглядит так, что ракету изначально создавали под три более мощных Е1, а потом срочно переделывали под девять E2, не меняя при этом общей конструкции. Скорее всего, именно поэтому на RS1 все девять двигателей размещены по периметру, с «пустым местом» в центре. Не исключено, что позднее ABL Space Systems попробует все же реализовать предыдущий проект RS1 с тремя двигателями E1 – если их наконец доведут до ума.

Ракета-носитель Terran 1 (компания Relativity Space, США)
Этот проект часто оказывается в центре внимания, так как Relativity Space участвует в неофициальной борьбе за первенство со SpaceX и китайской компанией LandSpace Technology Corporation – кто первым осуществит успешный орбитальный запуск ракеты с метаново-кислородными двигателями? В SpaceX продвигают сверхтяжелый Starship (масса 5000 т, тяга 7500-7600 т, вывод свыше 100 т груза на орбиту), у LandSpace уже 14 декабря 2022 года состоялся неудачный запуск средней ракеты Zhuque-2, она же «Чжуцюэ-2» (масса 216 т, на первой ступени четыре ЖРД открытого цикла TQ-12 суммарной тягой 268 т, вывод на орбиту до 4000 кг).

В Relativity Space же решили начать с малого – легкой ракеты Terran 1. Она конструктивно во многом повторяет SpaceX Falcon 9 и Rocket Lab Electron – девять метаново-кислородных ЖРД открытого цикла Aeon 1 на первой ступени (один в центре, восемь по периметру, общая тяга до 95 т), один Aeon 1 Vacuum на второй (11,5 т). Расчетная грузоподъемность не менее 1500 кг, ожидаемая дата запуска – первый квартал 2023 года.

В отличие от ABL Space Systems, в Relativity Space пока не было метаний с разными версиями Terran 1 – есть определенный план действий, которого компания старается придерживаться. Первый этап – разработка относительно небольших и простых ЖРД открытого цикла Aeon 1 (тяга 9-10 т), создание переходной версии Terran 1 с девятью двигателями на первой ступени. Второй этап – работа над проектом гораздо более мощного двигателя Aeon R (тяга в пределах 110-120 т). После нескольких запусков «переходного» Terran 1 ожидается радикальное обновление его конструкции – на первой ступени вместо девяти малых Aeon 1 появится один Aeon R. Все это со временем должно стать основой для проекта средней ракеты-носителя Terran R, способной выводить до 20 тонн на орбиту – минимум со семью маршевыми двигателями Aeon R и с возможностью возвращения первой ступени на Землю.

Ракета-носитель Daytona (компания Phantom Space Corporation, США)
Этот проект напоминает «продвинутую» версию Rocket Lab Electron, с более мощными двигателями – легкая ракета, способная вывести до 450 кг на орбиту. Интересно, что двигатели для Daytona производит Ursa Major Technologies – та самая компания, которая раньше не слишком успешно сотрудничала с ABL Space Systems. Предварительная версия этой ракеты-носителя выглядела следующим образом – масса 13,3 т, семь двигателей Hadley на первой ступени общей тягой 15-16 т (у Electron масса 13-14 т, тяга девяти ЖРД Rutherford около 18-19 т, позднее довели до 22 т). Сейчас же идут работы над обновленным проектом Daytona – полная масса 17,9 т, девять Hadley на первой ступени (тяга до 20-21 т).

В целом, Phantom Space Corporation идет тем же путем, что и ABL Space Systems, только в обратном направлении – если в случае с RS1 пришлось все время увеличивать количество двигателей, то их оппоненты решили начать с большим «букетом» малых двигателей, а уже потом создать новую ракету с более мощными ЖРД. Во всяком случае, уже запланированы два следующих этапа развития проекта. Сначала состоится модернизация Daytona – с одним двигателем Ripley вместо девяти Hadley. Затем должна прийти очередь «наследника», который получил название Laguna – с тремя двигателями Ripley (по 22-23 т тяги каждый, суммарно 65-70 т). Что из этого получится, сказать трудно – придется подождать запуска первоначальной версии Daytona с девятью Hadley, который предварительно запланирован на конец 2023 года.

Ракета-носитель Skyrora XL (компания Skyrora Ltd, Великобритания)
В Европе решили больше не зацикливаться только на двух ракетах-носителях (Ariane, Vega) и запусках с Куру в Южной Америке. Уже начали появляться разные проекты небольших ракет-носителей, которые можно запускать и с других точек – есть варианты SaxaVord Spaceport (Шетландские острова к северу от Шотландии), Sutherland Spaceport (север Шотландии), Andøya Space Center (остров Аннёйа, север Норвегии), шведский Esrange (возле Кируны), появились предложения по созданию таких небольших космических центров на Канарских и Азорских островах. Британцы также решили возродить свои традиции ракетостроения, причем некоторые проекты стараются реализовать с помощью относительно простых технологий – как компания Skyrora Ltd., которая создает ракету Skyrora XL «по мотивам» давнего Black Arrow (два орбитальных запуска в 1970-1971 годах). На первой ступени Skyrora XL установлены девять ЖРД Skyforce (общая тяга 64 т), которые работают на смеси керосина и перекиси водорода (как в прошлом двигатель Gamma 8 на Black Arrow). Ее расчетная грузоподъемность составляет до 325 кг на полярную орбиту. К этому можно еще добавить проект компании Orbital Express Launch Ltd (Orbex) – легкая ракета-носитель Prime (шесть ЖРД на первой ступени, использует топливо биогаз+кислород), способна выводить от 150 до 200 кг на орбиту.

Ракета-носитель Spectrum (компания Isar Aerospace, Германия)
Удивительно, что сейчас Германия очень серьезно занялась вопросами ракетостроения и уже запустила несколько разных проектов – порой складывается впечатление, что подобной активности не было со времен Вернера фон Брауна. Компания Isar Aerospace ведет работы над ракетой Spectrum легкого класса (должна выводить до 1000 кг на орбиту) с пропаново-кислородными ЖРД открытого цикла – девять Aquila на первой ступени (тяга до 70 т), один Aquila Vacuum на второй (9,5 т). Известно, что в этом проекте принимают участие специалисты и студенты Мюнхенского технического университета. Первый запуск Spectrum ожидается в 2023 году на норвежском Andøya Space Center. Возможны также запуски Spectrum с Куру – уже есть сведения, что для этого будет переоборудована старая стартовая площадка, с которой в 1970-1975 годах запускали французские легкие ракеты-носители Diamant.

Ракета-носитель RFA One (компания Rocket Factory Augsburg, Германия)
Проекты Isar Aerospace и Rocket Factory Augsburg похожи – и Spectrum, и RFA One оснащены девятью ЖРД на первой ступени плюс высотная версия того же двигателя на второй ступени. Но отличий тоже немало. Во-первых, RFA One использует классическую топливную пару из керосина и жидкого кислорода. Во-вторых, двигатели Helix являются ЖРД закрытого цикла (кстати, турбонасосы для них были заказаны на украинском «Южмаше»). В-третьих, RFA One заметно мощнее, чем Spectrum – девять маршевых Helix должны давать суммарную тягу от 90 до 100 тонн, благодаря чему ракета сможет выводить на орбиту до 1600 кг. По предварительным планам, первый запуск RFA One должен состояться в течение 2023 года – опять же в Норвегии, в Andøya Space Center. Как и в случае со Spectrum, возможны также запуски с Куру. Если принять во внимание, что на RFA One и Spectrum можно выводить на орбиту от 1000 до 1600 кг груза, то эти ракеты-носители теоретически могут со временем занять нишу старой версии Vega (выводила до 2500 кг на орбиту, сейчас вытесняется более мощной Vega-C грузоподъемностью до 3300 кг).

И это далеко не полный перечень проектов многодвигательных ракет-носителей, которыми сейчас занимаются почти во всем мире. Можно вспомнить Latitude Zéphyr (9 ЖРД Navier, керосин+кислород, вывод до 100 кг на орбиту), которая является французским аналогом Electron. Идут работы над проектом испанской компании PLD Space – частично многоразовая ракета-носитель Miura 5 (пять ЖРД TEPREL-С на первой ступени общей тягой 95-100 т, керосин+кислород, до 900 кг на орбиту). Сейчас испанцы реализуют промежуточный проект – суборбитальная ракета Miura 1, с использованием двигателя TEPREL (первый запуск пока ожидается в марте 2023 года). Немецкая компания HyImpulse Technologies GmbH занимается проектом ракеты-носителя SL1 с применением гибридных ракетных двигателей (парафин и жидкий кислород) на всех трех ступенях – сейчас готовятся испытательные запуски суборбитальной ракеты SR75 с гибридным двигателем HyPLOX-75 (тяга 7,5-8 т). За пределами США и Европы можно еще отметить проект индийской AgniKul Cosmos Private Limited, которая создает свой аналог Electron – ракета Agnibaan массой 13 т должна выводить на орбиту груз до 100-150 кг. Только индийцы планируют использовать меньше двигателей – на первой ступени должны быть семь небольших керосиново-кислородных ЖРД Agnite (в сумме 17-18 т тяги).

Очевидно, что далеко не все из перечисленных проектов ракет-носителей будут реализованы или станут успешными – что-то так и останется на уровне демонстрационных макетов, что-то провалится на стадии испытаний, что-то заглохнет после банкротства (как это произошло с компанией Vector Space Systems), что-то застрянет в серии неудачных запусков (как у Astra Space, когда одна ракета еще перед стартом была уничтожена пожаром, а из семи орбитальных запусков различных версий Rocket успешными стали лишь два). Но сам процесс действительно интригует – какие конструкторские решения могут появиться, какие именно проекты окажутся успешными, как будет в дальнейшем развиваться рынок запусков легких ракет и т.д. Не факт, что крупные игроки будут игнорировать это направление – некоторые такие небольшие проекты уже получают поддержку со стороны компаний вроде Lockheed Martin или Arianespace, которые готовы использовать их как своеобразный испытательный полигон или демонстратор технологий.