Нелегкий тягар надважких ракет

Світові лідери освоєння космосу розв’язують проблему створення ракетоносія для доставки на орбіту великих вантажів.

У планах НАСА, «Роскосмосу»­ та ESA — пілотовані польоти на Марс, створення постійної бази на Місяці, будівництво орбітальних заправних станцій та інші масштабні проекти. Уже розроблено декілька концепцій, але для їхньої реалізації треба розв’язати безліч технічно складних завдань. Одне з найпроблемніших наразі — виведення на навколоземну орбіту вантажів великої маси.

Рекорди в цій галузі належать ракетоносіям, розробленим і випробуваним ще в середині минулого століття в період космічної гонки супердержав — США і СРСР. У ті часи за будь-яким проектом стояла політика, і тому коштів не шкодували. Апарати будувалися один грандіозніший за інший. Саме тоді створили ракету-носій  «Сатурн-5» — дітище видатного конструктора Вернера фон Брауна, яка дотепер залишається найпотужнішою з тих, що здійснили реальні польоти. Вона могла вивести на низьку навколоземну орбіту 140 т корисного навантаження. «Сатурн-5» і використовувалася для виконання програми американських місячних місій. З її допомогою здійснили першу висадку людини на Місяць. Висота апарата на старті становила 110,6 м, діаметр 10,1 м, кількість ступенів — 3, стартова маса — 2965 т, а маса корисного навантаження — 140,9 т. Загалом  із 1969 по 1973 рік здійснено 13 успішних запусків.

Було б дивно, якби Країна рад не спробувала знайти адекватну відповідь. Власне кажучи, політ на Місяць планувався в КБ Корольова навіть раніше, фактично з 1960 року. Тоді стартувало й створення надважкої ракети Н-1. Спочатку вона призначалася для виведення на навколоземну орбіту важкої (до 75 т) орбітальної станції з перспективою забезпечення складання міжпланетного корабля для польотів до Венери й Марса. Але СРСР спізнилося з висадкою людини на Місяць. Тоді форсували створення  Н-1 і почали позиціонувати­­ її вже як носій для експедиційного космічного корабля Л3.

Н-1 було виконано за послідовною схемою розташування й роботи 5 ступенів, на яких використовувалися киснево-гасові двигуни. Перший старт ракети-носія Н-1 відбувся о 12 годині 18 хвилин 7 секунд 21 лютого 1969 року з безпілотним кораблем «Зонд-М» як корисним навантаженням, але закінчився аварією. Загалом зробили чотири пробних запуски, усі вони були невдалими, і програму згорнули.

Наступним монстром епохи розвиненого соціалізму була надважка ракета-носій «Енергія-М», відома запуском радянського човника «Буран» у безпілотному режимі. Але вона була найменшою ракетою в родині «Енергій». Її вантажопідйомність — 105 т. У 1989—1991 роках система проходила комплексні випробування, планувався запуск 1994 року. Важливою особливістю «Енергії» стало її будівництво на базі блока другого ступеня й уніфікованих модулів першого ступеня. Це надавало системі гнучкості й дозволяло створити декілька перспективних носіїв важкого й надважкого класів залежно від числа розгінних модулів. Характерно, що модифікація «Урагана» із чотирма прискорювачами дозволяла повертати на Землю всі елементи системи «Енергія» — «Буран».  Центральний блок «Бурана» мав входити в атмосферу, планувати й сідати на звичайний аеродром. Однак 1993 року «Енергія-М» програла державний конкурс на створення нової важкої ракети-носія.

До числа модифікацій входив і надважкий носій «Енергія-Вулкан» вантажопідйомністю до 200 т, із вісьмома подовженими розгінними блоками, стартовою масою 4747 т і збільшеним центральним блоком «Ц» для можливої пілотованої експедиції на Марс. Це була б найпотужніша ракета-носій за всю історію освоєння космосу, однак її так і не було випробувано.

Сьогодення

Наразі ракети-носії великої потужності використовуються дуже ощадливо, та й такими (щодо потужності) їх назвати важко. Ракета-носій «Протон-М» (Росія), запущена в експлуатацію, — модернізований варіант «Протона-К». Має поліпшені енерго-масові, експлуатаційні та екологічні характеристики.

Перший запуск моделі відбувся 7 квітня 2001 року. Стартова маса РКН — 702 т при 3 ступенях. Маса корисного навантаження на опорній орбіті — приблизно 22 т. Це досить скромні показники. Із ракет-носіїв, які реально працюють, слід назвати також американську Delta IV (22,9 т) і європейську Ariane (21 т). І та й інша дуже технологічні й придатні для запусків комерційних або військових супутників, але не будуть ефективні у разі виведення на орбіту модулів міжпланетного корабля.

Перспективи

Не збираючись реанімувати проекти минулих років, Росія та США готуються до запуску більш сучасних розробок. Серед російських проектів найпомітніший «Русь-МТ-50» вантажопідйомністю 50 т, у триступеневому варіанті. У першому ступені планується використовувати зв’язку з чотирьох УРБ (універсальних ракетних блоків) із РД 180, на другому — один УРБ (центральний) із дросельованим РД 180, а третім буде киснево-водневий ступінь із чотирма двигунами РД 0146. У ракеті, призначеній для пілотованих польотів на Місяць і Марс, застосований УРБ і кріогенний верхній ступінь зі збільшеним заправленням. Стартова маса носія — близько  1433 т, а виведений на навколоземну орбіту корисний вантаж — 53—54 т, діаметр ракети — 11,6 м. Альтернативний проект — родина ракет-носіїв «Ангара» — містить у собі носії від легкого до важкого класу в діапазоні вантажопідйомності від 1,5 до 25 т.

Американці в цьому питанні сильніші, але перевага їх не така велика, як вважалося. Компанія Space-X готує до випробувань найпотужнішу на цей час ракету у світі — Falcon Heavy. Вона здатна виводити на низьку опорну орбіту (близько 200 км) до 53 т корисного навантаження. Це, звичайно, не рекорд. Falcon поступається американській Saturn-5 (140 т) і радянській «Енергії» (105 т), однак обидва ці апарати не використовуються. За словами представників компанії, першу ракету цього типу буде запущено наприкінці 2012 року. Наступні старти намічені на 2013 і 2014 роки відповідно.

Відзначається, що вартість виведення вантажу на орбіту на новій ракеті стане рекордно низькою — трохи більше $2 тис. за кілограм. Для прикладу: ціна виведення одного кілограма вантажу на орбіту наявними засобами становить близько $10 тис. за кілограм. При цьому ракета може вивести на орбіту вдвічі більше корисного навантаження, ніж шатл, а витрати на запуск утричі менше. Стартова тяга носія 1700 т, що дорівнює тязі 15 літаків Boeing -747 на повній потужності.

Але й це ще не все. Недавно НАСА представила проект найпотужнішої ракети за всю історію космонавтики. Проект дістав назву Space Launch System (SLS), вона передбачає створення двох варіантів ракети-носія: для пілотованого корабля й для доставки вантажів. Нова ракета зможе виводити космічні кораблі як на орбіту Землі, так і до інших планет Сонячної системи. Пілотована і вантажна модифікації SLS на 10% і 20% відповідно перевершують за тягою найпотужнішу наразі ракету Saturn-5, що більше 40 років тому доставила астронавтів на Місяць. Вона багато в чому перевершить нині працюючу РН «Арес-5».

Спочатку створять «пасажирську» модифікацію ракети спеціально під новий корабель Multi-Purpose Crew Vehicle вантажопідйомністю 70 т. Вона оснащуватиметься твердопаливним прискорювачем і системою порятунку екіпажу під час аварій на старті. Це, як обіцяв директор НАСА Чарльз Болден, дозволить запустити першу ракету вже наприкінці 2017 року,

Друга модифікація — вантажна потужністю до 130 т. Прискорювачі можуть бути на твердому або рідкому паливі. Важливо, що в SLS застосований модульний принцип. Модифікації побудують зі стандартних модулів — ступенів, прискорювачів, двигунів — залежно від поставленого завдання, що дозволить заощадити значні кошти під час підготовки запусків. За словами сенатора Білла Нельсона, який брав участь у презентації програми SLS, у найближчі п’ять років на неї витратять $18 млрд. Ці гроші призначені тільки на розробку й випробування ракети, не враховуючи виробництва.

Цілі й засоби

Попри велику економічну ефективність проектів, які готуються до реалізації, про розв’язання проблеми виведення на орбіту масштабних вантажів годі й говорити, адже маса корисного навантаження в 100—130 або навіть 200 т не розв’язує проблеми. Основний недолік полягає в надзвичайно низькій ефективності реактивного приводу. За найскромнішими підрахунками, космічний апарат, який понесе людину,  скажімо, на Марс, за наявного типу двигунів і палива повинен мати масу не менше 900 тонн. І це при тому, що маса його корисного вантажу навряд чи досягне 20%. Тобто паливо переважно везтиме «саме себе» і лише в другу чергу — екіпаж і обладнання. Щоб скласти з модульних блоків такий корабель для експедиції на Марс, потрібно не менше десятка запусків надважкої ракети.

Із реалізацією російських розробок ще складніше. Підготовлений у РФ проект марсіанського пілотованого комплексу (МПК) передбачає масу 1630 т. Скласти його на низькій навколоземній орбіті навіть за наявності нових носіїв можливо за 20—25 запусків ракети-носія. Як бачимо, сучасні технології навряд чи дозволять скласти на орбіті міжпланетний корабель. Орбітальні станції «Мир» і МКС, складені на орбіті, не можна навіть порівнювати за массою з міжпланетним кораблем. Станція «Мир» важила лише 124,3 т і мала внутрішній обсяг близько 100 м3.­­ МКС значно більше, після завершення будівництва важитиме 470 т і матиме внутрішній обсяг близько 370 м3. Корабель, розрахований на довгий політ, вимагає набагато більшого обсягу на одного космонавта, щоб забезпечити оптимальні умови для відпочинку. Межа корисного навантаження носіїв у 100—130 т змусить будувати корабель за модульним принципом, що жорстко обмежить  структуру міжпланетних кораблів і орбітальних станцій, знизить корисний обсяг станції­ і зробить всю конструкцію менш надійною.

Альтернативні рішення

Сьогодні існують і проекти альтернативних, так би мовити, безракетних технологій доставки вантажів на орбіту. Це космічний ліфт і космічний міст. Що до космічного ліфта, то ця ідея висловлювалася ще Костянтином Ціолковським 1895 року. А детальну розробку проводив Юрій Арцутанов. Ідея ґрунтується на застосуванні троса, протягнутого від поверхні планети до орбітальної станції, що перебуває на ГСО. Такий спосіб у перспективі може стати набагато дешевшим за використання ракет-носіїв. Під час підйому вантаж прискорюватиметься за рахунок обертання Землі, що дозволить на досить великій висоті відправляти його за межі тяжіння Землі.

Космічний міст — це проект астроінженерної споруди, який передбачає облаштування навколо планети твердого або напівтвердого кільця, що втрачає вагу за рахунок обертання навколо земного екватора. На жаль, і перший, і особливо другий проект за наявних технологій нереалістичні. І їхнє втілення можна буде розпочати не раніше як через 50—70 років за сучасних темпів розвитку галузі.