Нелегкая ноша сверхтяжелых ракет
Мировые лидеры освоения космоса решают проблему создания ракетоносителя для доставки на орбиту больших грузов.
В планах НАСА, «Роскосмоса» и ESA — пилотируемые полеты на Марс, создание постоянной базы на Луне, строительство орбитальных заправочных станций и тому подобные масштабные проекты. Уже разработан ряд концепций, но для их реализации нужно решить множество технически сложных задач. Одна из самых проблемных на сегодняшний день — вывод на околоземную орбиту грузов большой массы.
Рекорды в этой области принадлежат ракетоносителям, разработанным и испытанным еще в середине прошлого века в период космической гонки супердержав — США и СССР. В ту пору за любым проектом стояла политика, и потому средств не жалели. Аппараты строились один грандиознее другого. Именно тогда создали ракету-носитель «Сатурн-5» — детище выдающегося конструктора Вернера фон Брауна, которая и по сей день остается наиболее мощной из числа совершивших реальные полеты. Она могла вывести на низкую околоземную орбиту 140 т полезной нагрузки. «Сатурн-5» использовалась для выполнения программы американских лунных миссий. С ее помощью осуществили первую высадку человека на Луну. Высота аппарата на старте составляла 110,6 м, диаметр — 10,1 м, количество ступеней — 3, стартовая масса — 2965 т, а масса полезной нагрузки — 140,9 т. Всего с 1969 по 1973 год произведено 13 успешных запусков.
Было бы странно, если бы Страна советов не попробовала найти адекватный ответ. Собственно говоря, полет на Луну замышлялся в КБ Королева даже раньше, практически с 1960 года. Тогда стартовало и создание сверхтяжелой ракеты Н-1. Первоначально она предназначалась для вывода на околоземную орбиту тяжелой (до 75 т) орбитальной станции с перспективой обеспечения сборки межпланетного корабля для полетов к Венере и Марсу. Но СССР опоздало с высадкой человека на Луну. Тогда форсировали создание Н-1 и стали позиционировать его как носитель для экспедиционного космического корабля Л3.
Н-1 был выполнен по последовательной схеме расположения и работы 5 ступеней, на которых использовались кислородно-керосиновые двигатели. Первый старт ракеты-носителя Н-1 состоялся в 12 часов 18 минут 07 секунд 21 февраля 1969 года с беспилотным кораблем «Зонд-М» в качестве полезной нагрузки, но закончился аварией. Всего произвели четыре пробных запуска, все они закончились неудачей, и программу свернули.
Следующим монстром эпохи развитого социализма стала сверхтяжелая ракета-носитель «Энергия-М», известная запуском советского челнока «Буран» в беспилотном режиме. Но она была наименьшей ракетой в семействе «Энергий». Ее грузоподъемность — 105 т. В 1989—1991 годах система проходила комплексные испытания, планировался запуск в 1994 году. Важной особенностью «Энергии» стало ее построение на базе блока второй ступени и унифицированных модулей первой ступени. Это придавало системе гибкость и позволяло создать ряд перспективных носителей тяжелого и сверхтяжелого классов в зависимости от числа разгонных модулей. Характерно, что модификация «Урагана» с четырьмя ускорителями позволяла возвращать на Землю все элементы системы «Энергия» — «Буран». Центральный блок «Бурана» должен был входить в атмосферу, планировать и садиться на обычный аэродром. Однако в 1993 году «Энергия-М» проиграла государственный конкурс на создание новой тяжелой ракеты-носителя.
В число модификаций входил и сверхтяжелый носитель «Энергия-Вулкан» грузоподъемностью до 200 т, с восемью удлиненными разгонными блоками, стартовой массой 4747 т и увеличенным центральным блоком «Ц» для возможной пилотируемой экспедиции на Марс. Это была бы самая мощная ракета-носитель за всю историю освоения космоса, однако она так и не была испытана.
Существующая ситуация
На сегодняшний день ракетоносители большой мощности используются очень экономно, да и таковыми (относительно мощности) их назвать трудно. Ракета-носитель «Протон-М» (Россия), запущенная в эксплуатацию, — модернизированный вариант «Протона-К». Обладает улучшенными энерго-массовыми, эксплуатационными и экологическими характеристиками.
Первый запуск модели состоялся 7 апреля 2001 года. Стартовая масса РКН – 702 т при 3 ступенях. Масса полезной нагрузки на опорной орбите ≈ 22 т. Это достаточно скромные показатели. Из реально работающих ракет-носителей стоит назвать также американскую Delta IV (22,9 т) и европейскую Ariane (21 т). И та и другая очень технологичны и хорошо подходят для запусков коммерческих или военных спутников, но не будут эффективны при выводе на орбиту модулей межпланетного корабля.
Перспективы
Не собираясь реанимировать проекты прошлых лет, Россия и США готовятся к запуску более современных разработок. Среди российских проектов наиболее заметен «Русь-МТ-50» грузоподъемностью 50 т, в трехступенчатом варианте. В первой ступени планируется использовать связку из четырех УРБ (универсальных ракетных блоков) с РД 180, на второй — один УРБ (центральный) с дросселированным РД 180, а в качестве третьей — кислородно-водородную ступень с четырьмя двигателями РД 0146. В ракете, предназначенной для пилотируемых полетов к Луне и Марсу, применены УРБ и криогенная верхняя ступень с увеличенной заправкой. Стартовая масса носителя — около 1433 т, а выводимый на околоземную орбиту полезный груз — 53—54 т, диаметр ракеты — 11,6 м. Альтернативный проект — семейство ракет-носителей «Ангара» — включает в себя носители от легкого до тяжелого класса в диапазоне грузоподъемности от 1,5 до 25 т.
Американцы в данном вопросе выглядят сильнее, но преимущество их не так велико, как можно было ожидать. Компания Space-X готовит к испытаниям самую мощную на сегодняшний день ракету в мире — Falcon Heavy. Она способна выводить на низкую опорную орбиту (около 200 км) до 53 т полезной нагрузки. Это, конечно, не рекорд. Falcon уступает американской Saturn-5 (140 т) и советской «Энергии» (105 т), однако оба эти аппарата в настоящее время не используются. По словам представителей компании, первая ракета этого типа будет запущена в конце 2012 года. Последующие старты намечены на 2013 и 2014 годы соответственно.
Подчеркивается, что стоимость вывода груза на орбиту на новой ракете станет рекордно низкой — чуть больше $2 тыс. за килограмм. Для примера: цена вывода одного килограмма груза на орбиту существующими средствами составляет около $10 тыс. за килограмм. При этом ракета может вывести на орбиту в два раза больше полезной нагрузки, чем шаттл, а затраты на запуск в три раза меньше. Стартовая тяга носителя 1700 т, что равно тяге 15 самолетов Boeing-747 на полной мощности.
Но и это еще не все. Недавно НАСА представило проект самой мощной ракеты за всю историю космонавтики. Проект получил название Space Launch System (SLS), он предусматривает создание двух вариантов ракеты-носителя: для пилотируемого корабля и для доставки грузов. Новая ракета сможет выводить космические корабли как на орбиту Земли, так и к другим планетам Солнечной системы. Пилотируемая и грузовая модификации SLS на 10% и 20% соответственно превосходят по тяге самую мощную на данный момент ракету Saturn-5, которая более 40 лет назад доставила астронавтов на Луну. Она во многом превысит ныне работающую РН «Арес-5».
Сначала создадут «пассажирскую» модификацию ракеты специально под новый корабль Multi-Purpose Crew Vehicle грузоподъемностью 70 т. Она будет оснащаться твердотопливным ускорителем и системой спасения экипажа при авариях на старте. Это, как обещал директор НАСА Чарльз Болден, позволит запустить первую ракету уже в конце 2017 года.
Вторая модификация — грузовая мощностью до 130 т. Ускорители могут быть на твердом или жидком топливе. Важно, что в SLS применен модульный принцип. Модификации построят из стандартных модулей — ступеней, ускорителей, двигателей — в зависимости от поставленной задачи, что позволит сэкономить значительные средства при подготовке запусков. По словам сенатора Билла Нельсона, участвовавшего в презентации программы SLS, в ближайшие пять лет на нее потратят $18 млрд. Эти деньги предназначены только на разработку и испытания ракеты, не включая производство.
Цели и средства
Несмотря на большую экономическую эффективность готовящихся к реализации проектов, говорить о решении проблемы вывода на орбиту масштабных грузов пока не приходится, ведь масса полезной нагрузки в 100—130 или даже 200 т не решает проблемы. Основной недостаток заключается в предельно низкой эффективности реактивного привода. По самым скромным подсчетам, космический аппарат, который понесет человека, скажем, к Марсу, при существующем типе двигателей и топлива должен иметь массу не менее девятисот тонн. И это при том, что масса его полезного груза едва ли достигнет 20%. То есть топливо будет в основном везти «само себя» и лишь во вторую очередь — экипаж и оборудование. Чтобы собрать из модульных блоков такой корабль для экспедиции к Марсу, потребуется не менее десятка запусков сверхтяжелой ракеты.
С реализацией российских разработок еще сложнее. Подготовленный в РФ проект марсианского пилотируемого комплекса (МПК) предполагает массу в 1630 т. Собрать его на низкой околоземной орбите даже при новых носителях возможно за 20—25 запусков ракеты-носителя. Как видим, существующие технологии едва ли позволят собрать на орбите межпланетный корабль. Орбитальные станции «Мир» и МКС, собранные на орбите, не идут ни в какое сравнение по массе с межпланетным кораблем. Станция «Мир» весила всего 124,3 т и имела внутренний объем около 100 м3. МКС значительно больше, после завершения строительства будет весить 470 т и иметь внутренний объем около 370 м3. Расчет корабля на долгий полет потребует куда большего объема на одного космонавта, чтобы обеспечить оптимальные условия для отдыха. Предел полезной нагрузки носителей в 100—130 т вынудит строить корабль по модульному принципу, что жестко ограничит структуру межпланетных кораблей и орбитальных станций, снизит полезный объем станции и сделает всю конструкцию менее надежной.
Альтернативные решения
Сегодня существуют и проекты альтернативных, так сказать, безракетных технологий доставки грузов на орбиту. Это космический лифт и космический мост. Что касается космического лифта, то эта идея высказывалась еще Константином Циолковским в 1895 году. А детальную разработку проводил Юрий Арцутанов. Идея основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции, находящейся на ГСО. Такой способ в перспективе может стать на порядки дешевле использования ракет-носителей. При подъеме груз будет ускоряться за счет вращения Земли, что позволит на достаточно большой высоте отправлять его за пределы тяготения Земли.
Космический мост — это проект астроинженерного сооружения, предполагающий обустройство вокруг планеты жесткого или полужесткого кольца, обезвешивающегося за счет вращения вокруг земного экватора. К сожалению, и первый, и особенно второй проект при существующих технологиях нереалистичны. И к их воплощению можно будет приступить не ранее чем через 50—70 лет при существующих темпах развития отрасли.
