Последний раз сверхтяжелая ракета стартовала почти 30 лет назад, когда советская «Энергия» вывела на околоземную орбиту многоразовый корабль «Буран». В ближайшие несколько лет должны полететь еще несколько носителей такого класса, что позволит человеку по-настоящему начать освоение дальнего космоса. Похоже, американская SpaceX и тут станет первой. «Лента.ру» рассказывает о том, как компания Илона Маска опередила всю российскую космонавтику и почему «Роскосмос» просит помощи США.
Традиционно тяжелыми ракетами считаются носители, способные доставлять на низкую околоземную орбиту (от 160 до 2 000 километров над уровнем моря) от 20 до 50 тонн полезной нагрузки. Средства выведения, отправляющие в космос более 50 тонн, относятся к сверхтяжелым. В мире всего четыре страны — США, Россия, Франция (фактически ЕС) и Китай — располагают тяжелыми ракетами, и только две — США и СССР — запускали сверхтяжелые носители.
Исторически потребность в сверхтяжелых носителях возникла в годы холодной войны, когда США и СССР участвовали в космической гонке. Победителем в ней стали Соединенные Штаты, которые после запуска первого искусственного спутника Земли и полета Юрия Гагарина решили первыми доставить человека на поверхность Луны. Вызов принял СССР, который ранее рассматривал более амбициозные проекты, прежде всего полеты к Венере и Марсу.
Первой в мире сверхтяжелой ракетой стал американский Saturn V, который до сих пор остается самым высоким (110,6 метра), тяжелым (около 3 000 тонн при старте), грузоподъемным (выводил до 140 тонн полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту) и мощным (по развиваемой тяге) носителем, когда-либо запускавшимся человеком. Конструктивно Saturn V состоял из трех ступеней, первая оснащалась пятью двигателями F-1.
Всего с 1967 по 1973 год Saturn V запускали тринадцать раз. Все старты, кроме последнего (запуска первой американской орбитальной станции Skylab), проходили в рамках лунной программы Apollo. Из этих двенадцати пусков всего два старта (беспилотная миссия Apollo 6 и пилотируемая Apollo 13) считаются частично удачными. Всего при помощи Saturn V астронавты девять раз летали к Луне, в том числе совершили шесть высадок на спутник Земли.
Стоит отметить, что работы над однокамерным F-1 были начаты компанией Rocketdyne (сегодня входит в Aerojet Rocketdyne) по заказу ВВС США еще в 1955 году, в результате чего первые огневые испытания двигателя состоялись уже в 1959 году. Первоначально в камере сгорания двигателя наблюдалось нарушение режима стабильного горения, с чем к 1961 году успешно удалось справиться. К моменту пилотируемых пусков Saturn V технология двигателей F-1 была отработана практически идеально.
В СССР работы над двигателями НК-15 для первой ступени пятиступенчатой (в лунном варианте) сверхтяжелой ракеты Н-1 начались только в 1962 году, на семь лет позже, чем в США. К 1967 году, когда куйбышевскому ОКБ-276 (часть современного ПАО «Кузнецов») удалось завершить разработку НК-15, США уже запустили Saturn V. В период с 1969 по 1972 год было проведено четыре пуска советской сверхтяжелой ракеты, рассчитанной на выведение на околоземную орбиту до 90 тонн полезной нагрузки, все они оказались неудачными. Проблемы возникали из-за неотлаженной одновременной работы 30 двигателей НК-15, устанавливаемых на первую ступень носителя.
Альтернативой Н-1 с тридцатью куйбышевскими НК-15 на первой ступени могла бы стать ракета УР-700 с девятью РД-270, созданными в 1962-1967 годах химкинским ОКБ-456 (современное НПО «Энергомаш»). РД-270, в отличие от НК-15, работавших на кислороде и керосине, использовали токсичные гептил и тетраоксид диазота, а ОКБ-456, в отличие от ОКБ-276, отказалось разрабатывать для сверхтяжелой ракеты более экологичные агрегаты.
Хотя фактически причина отказа сводилась к личному конфликту конструкторов Валентина Глушко из ОКБ-456 с Сергеем Королевым из ОКБ-1 (данное бюро занималось советской лунной ракетой), формально свою позицию первый объяснил невозможностью ОКБ-456 в сжатые сроки разработать для сверхтяжелой ракеты мощный двигатель на кислороде и керосине. Доля правды в этом есть, экологичный двигатель РД-170 КБ «Энергомаш» разработал только к 1981 году.
С другой стороны, агрегат НК-33, созданный ОКБ-276 в 1968-1972 годах на основе НК-15, разработан с использованием передовых технологий, которые получили широкое распространение только несколько десятилетий спустя. Это привело к тому, что даже сегодня тяговооруженность экологичного НК-33 уступает только токсичным двигателям РД-253 (созданы к 1963 году тем же ОКБ-456) и современным агрегатам Merlin 1D (компания SpaceX).
Стоит отметить, что СССР, в отличие от США, так и не удалось решить задачу стабильного горения топлива в камере двигателя. По этой причине РД-170 оказался четырехкамерным, а не однокамерным, как F-1, который так и остался самым крупным и мощным в мире однокамерным ракетным двигателем, работающим на жидком топливе. С другой стороны, именно РД-170 и РД-171 (модификация РД-170 для ракет семейства «Зенит»), созданные почти 20 лет спустя после F-1, оттеснили последний на третье место в рейтинге самых мощных жидкостных ракетных двигателей.
По одному РД-170 получили четыре боковых ускорителя (нулевая ступень) сверхтяжелой ракеты «Энергия», рассчитанной на запуск до 100 тонн на низкую околоземную орбиту. Носитель запускался в 1987-1988 годах всего дважды — оба раза успешно. В ходе второго пуска также был успешно отправлен в автономный полет (первый и единственный раз) многоразовый корабль «Буран», который стал советским ответом на американскую программу Space Shuttle. Как и в случае с Н-1, СССР снова догонял США, которые свой первый шаттл запустили еще в 1981 году.
В 1990-е и 2000-е годы после завершения космической гонки интерес к сверхтяжелым ракетам упал, для обслуживания околоземных станций и запуска спутников и межпланетных миссий хватало тяжелых носителей. Дорогие проекты сверхтяжелых ракет в лучшем случае разрабатывались слишком медленно либо, в худшем, существовали только на бумаге. В итоге в ближайшее время стоит ожидать запуска коммерческой Falcon Heavy.
Глава компании SpaceX Илон Маск 28 января 2018 года заявил, что Falcon Heavy полетит 6 февраля. Ракета должна доставить личный автомобиль бизнесмена Tesla Roadster на околомарсианскую орбиту, хотя скорее всего полезная нагрузка пролетит мимо Красной планеты на минимальном расстоянии 80 миллионов километров и станет одним из искусственных спутников Солнца. Маск отдельно подчеркивает, что ему нравится мысль о том, что спустя миллионы лет Tesla Roadster может быть обнаружен инопланетянами.
Конструктивно первая ступень Falcon Heavy состоит из центрального блока и пары боковых ускорителей, представляющих собой модернизированные первые ступени тяжелой ракеты Falcon 9. На низкую околоземную орбиту носитель способен выводить 63,8 тонны груза, стоимость пуска в зависимости от полезной нагрузки составит 90-120 миллионов долларов. Как и в случае Falcon 9, после старта Falcon Heavy компания планирует посадить центральный блок и боковые ускорители.
Между тем ранее Маск сомневался в успешности первого пуска Falcon Heavy, требующего синхронной работы 27 двигателей Merlin 1D (девять агрегатов стоят на первой ступени Falcon 9). Никто в мире, кроме СССР, никогда не пытался запускать ракеты, содержащие такое большое число двигателей на первой ступени. В случае, если старт носителя SpaceX пройдет успешно, свернутый советский эксперимент полувековой давности, запуски Н-1 с 30 двигателями на первой ступени, перестанет казаться таким уж бесперспективным, а двигатели типа РД-170 — уникальными и безальтернативными.
После Falcon Heavy в 2019-2020 годах стоит ожидать запуска американской лунно-марсианской сверхтяжелой ракеты SLS (Space Launch System). Разработанная компанией Boeing ракета рассматривается в качестве основного средства выведения модулей планируемой международной окололунной станции DSG (Deep Space Gateway). В 2022 году Маск пообещал запустить сверхтяжелый носитель BFR (Big Falcon Rocket), хотя наверняка сроки существенно сдвинутся вправо. К 2025 году Китай пообещал запустить свой первый сверхтяжелый носитель Long March 9. Эскиз российской сверхтяжелой ракеты должен быть готов к 2019 году, ее летные испытания запланировано начать к 2027 году. Также в 2020-х не исключено создание сверхтяжелого носителя New Armstrong американской компании Blue Origin.
Ракета SLS практически готова, носитель Long March 9, учитывая интерес Поднебесной к космосу, также скорее всего будет создан. Тем временем финансирование российской сверхтяжелой ракеты пока даже не прописано в Федеральной космической программе на 2016-2025 годы. Поэтому неясно, что будет делать Россия, если не успеет создать собственный сверхтяжелый носитель.
Выход был найден в ходе собрания многостороннего координационного совета по разработке DSG в Токио. «Роскосмос» предложил создать для проекта многоцелевой модуль стоимостью 706 миллионов долларов, но запускать его не на чем. Поэтому, за неимением собственной сверхтяжелой ракеты, была выдвинута идея отправить его к Луне на американской SLS.