В обсуждениях на АЦ неоднократно поднимался вопрос о хранении криогенного топлива или (пропеллента в случае ЯРД) на орбите. В статье Как спасти вторую ступень ракеты? есть раздел, посвященный именно этому вопросу. Так как статья очень длинная, для удобства вынесу здесь только этот раздел в форме цитаты:
Идея о спасении второй ступени на орбите
Моему удивлению не было предела, когда я обнаружил, что эта идея уже оценена в космонавтике и озвучена даже в том же самом ролике видеоблоггера Everyday Astronaut, на 15 минуте: https://youtu.be/4rC2Z5El-8E?t=921 – там говорится о планах ULA относительно второй ступени будущей тяжелой ракеты Vulcan Centaur.
Американский космический консорциум ULA с 2015 года собрался использовать вторую ступень своей ракеты тяжелого класса (ПН на НОО до 27.2 тонны) Vulcan Centaur (первый запуск ожидается в конце 2021 года) для … накопления неизрасходованного при выводе на орбите топлива и его дальнейшего использования для полетов вне НОО. Грубо говоря, предлагается накапливать в одной такой ступени топливо от других ступеней (перекачивать его), чтобы потом использовать эту заправленную ступень как разгонный блок, для полёта какого-нибудь заново пристыкованного КА вне околоземных орбит.
Два семейства вторых ступеней (DCSS и Centaur V) с топливной парой водород/кислород достались консорциуму ULA по наследству от двух компаний Boeing и Lockheed Martin, теперь входящих в него, и от двух их ракет (Delta и Atlas соответственно). Возникла идея взять от них лучшее и расширить сферу применения такой «объединенной» второй ступени. Эта вторая ступень в ULA получила название Advanced Cryogenic Evolved Stage (ACES) – диаметр 5.4 метра, высота около 15-18 метров, объем около 300 м3 (3.14159 * 2.7 * 2.7 = 22.9 *15 = 343 м3), масса 5-9(?) тонн, 4 двигателя типа RL-10-C, с возможностью ставить меньшее количество двигателей. https://www.youtube.com/watch?v=Bu72H3jMpuY
Эта ступень ACES приобрела бы невиданное ранее применение на орбитах Земли (и далее) с технологией Integrated Vehicle Fluids (IVF). Суть технологии в том, чтобы лучше изолировать тонкими отражающими пленками/фольгой баки ступени с жидким криогенным топливом и окислителем, добавить снаружи (сбоку от основных двигателей) небольшие легкие двигатели внутреннего сгорания, работающий на парах водорода и кислорода. Такие двигатели нужны для выработки электроэнергии, «умного» расхода лишних паров топлива, для обеспечения импульсов ориентации в поперечном направлении, а также для поддержания давления в баках при помощи системы автогенераторного наддува (Autogenous pressurization). С этими двигателями ступень сможет сама поддерживать ориентацию в пространстве, снижать свой внешний нагрев от солнечных лучей и поддерживать в криогенных баках давление для уверенной работы двигателей даже с минимальным остатком криогенного топлива. Сама идея автогенераторного наддува состоит в том, чтобы подогревать и испарять небольшую часть жидкого топлива для создания давления в баках от испаряющегося газа (метод использовался в ракете Titan с 1968 года, потом в Space Shuttle, был выбран для многострадального супертяжа SLS). Метод позволяет отказаться от дополнительных баков с гелием или азотом для наддува, но требует датчиков и дополнительных устройств, небольших двигателей для нагрева топлива.
С технологией IVF вторую ступень можно было бы оставить на орбите на несколько недель или месяцев, используя её для длительных полётов с 10-кратными включениями основных двигателей. Или, заправив её под завязку (другими аналогичными вторыми ступенями как танкерами), использовать вторую ступень из первого запуска уже как разгонный блок, как буксир для новой ПН, нового КА (от второго запуска), для отдельно выведенного корабля, для полетов далеко от Земли. Судя по этому видео у ULA на эту ступень (и на концепцию раздельного запуска) было действительно много планов, просто целый ворох.
Но как много энтузиастов космонавтики про них хоть что-то слышали? Сколько людей эти планы запомнили?
В ссылках к статье в Википедии я нашёл статью аж 2010 года, где два автора из ULA рассматривают применение этой ступени (для ракет Atlas и Delta IV Heavy) на орбите в виде составной части хранилища топлива, своего рода «бензоколонки» для дозаправки по пути к Луне (на НОО, либо в точках Лагранжа L1 или L2 в системе Земля-Луна). Конечно, это требует усовершенствования самой ступени, снабжения её раскладным щитом в виде конической юбки, для защиты от нагрева солнечным излучением.
Также возможны усовершенствования для создания целого кластера из ступеней, прикрытых от солнечного света другим общим щитом-отражателем.
Авторы ориентировались на лунную программу «Созвездие» (Constellation), призывая сделать её более открытой для коммерческих участников (что случилось только недавно), которые могли бы доставлять топливо в эту станцию дозаправки. Увы, программа «Созвездие» от Буша-младшего ушла в небытие с приходом к власти Обамы, NASA стало как-то не до этого. В 2017 и программу усовершенствования второй ступени ACES тоже прикрыли, так как военным заказчикам (половина уже назначенных запусков новой ракеты Vulcan Centaur связана именно с военными спутниками США) эти возможности просто не нужны. Но потом оказалось, что сама программа IVF в ULA не совсем закрыта и конструкторы всё же верят в перспективы этой продвинутой технологии, понемногу работают над её применением ко второй ступени ракеты Vulcan Centaur. Искренне желаю им удачи и хочу заметить, что надо шире пропагандировать такой подход к повторному применению вторых ступеней.