Что нужно космическим кораблям завтрашнего дня?

Когда в 1970-х годах задумывались космические шаттлы, в мечтах инженеров было создание нового типа космического корабля — который сможет перевозить людей и грузы на орбиту, возвращаться на Землю, а затем использоваться снова. Это удалось, но лишь частично. В 1997 году Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) работало над созданием космического аппарата, который действовал по большей части как самолет. Они хотели создать космический корабль, который не только может быть использован многократно, но также быть надежным и достаточно эффективным, чтобы летать чаще и обходиться дешевле, чем шаттл.
Почему запуск шаттла был таким дорогим?

Из четырех основных компонентов шаттла только один — крылатый орбитер — был полностью многоразовый. Огромный внешний топливный бак отбрасывался, когда опустевал, после восьми минут полета и сгорал при повторном входе в атмосферу. Две ракеты-носителя (по бокам от топливного бака) также отстреливались, когда опустевали, уже спустя две минуты полета. Затем они парашютировали в океан, а после восстанавливались. Позднее ракеты разбирали и заполняли твердым топливом. Однако восстановление и заправка требовали так много специального оборудования и работы, что дешевле было бы купить набор одноразовых ракет для каждого запуска шаттла.

Эти и другие трудности сделали шаттл чрезвычайно дорогим транспортным средством — 400 миллионов долларов на каждый запуск по самым скромным оценкам. И это один только полет, не считая спутников и лабораторий на борту. В итоге, спустя 40 лет от начала космической эры, одноразовые ракеты остаются дешевле в использовании, чем шаттл.

Тем не менее идея одноразового транспортного средства всегда казалась расточительной. В конце концов, не выбрасывать же автомобиль после каждой поездки? В теории давно можно создать полностью многоразовый одноступенчатый орбитальный транспорт. Но различные факторы, в том числе производительность двигателей и материалов, используемых в топливных баках и других конструкциях, обросли такой дороговизной, что стали непрактичными, во всяком случае, если подвергались полезной нагрузке.
Технологии нацелены на создание многоразовой ракеты

Некоторые из этих факторов изменились в последние годы, сделав идею одноступенчатой многоразовой ракеты более жизнеспособной. Несколько ключевых технологий существенно продвинулись с тех пор, как был построен шаттл. Развитие некоторых композитных материалов (графито-эпоксид), мощных сплавов (алюминий-литий) и новой керамики позволили создать легковесные топливные баки и теплозащитные экраны. Двигатели стали легче и надежнее. В дополнение к этому, электромеханические системы контроля полетом заменили тяжелые и проблемные гидравлические системы. Меньшие, куда более способные компьютеры и продвинутые системы навигации упростили системы навигации и техобслуживания.

Некоторые из этих технологий уже применяются в разработке некоторых воздушных судов, например, бомбардировщика F-22, а также лайнера Boeing-777. Некоторые из этих исследований начались еще в 80-х годах в процессе разработки аэрокосмического самолета, способного летать на орбиту.
Эксперименты

В начале 90-х сторонники многоразовых ракет убедили DARPA провести эксперименты и убедиться, что одноступенчатая ракета может быть практичной и недорогой. McDonnell Douglas Corporation построила первый такой транспорт под названием Delta Clipper Experimental, или DC-X.

После полета команда показала, что DC-X готов лететь уже на следующий день.
Объединение с частной промышленностью

Понадобится не так много операций, чтобы снизить стоимость космической транспортировки. Многие эксперты считают, что снижение затрат приведет новых клиентов, в том числе и космических туристов. Другие эксперты считают, что затраты нельзя сократить, пока правительство не пустит частных предпринимателей в кресло пилотов.

NASA соглашается с такой точкой зрения. В 1995 году агентство объявило, что хочет помочь частной промышленности развивать новый экспериментальный космический корабль под названием X-33. Расчет был на то, что этот транспорт покажет, что космические путешествия могут быть экономически эффективными. Была также поставлена цель снизить стоимость запуска полезного груза на 90 %, до 3000 долларов за килограмм. Если эта цель будет достигнута, NASA предполагало, что частный сегмент будет самостоятельно создавать и поддерживать парк коммерческих многоразовых ракет-носителей (МРН).

И хотя МРН зачастую изображают как замену шаттлам, сами по себе они не были целью. Не было никакой необходимости заменять шаттлы, поскольку они с легкостью могли бы летать по 15 лет, а с улучшениями — и до 2030 года. Целью МРН было сокращение расходов на запуск.
Lockheed Martin выигрывает тендер NASA

В развитии X-33 были заинтересованы три крупных аэрокосмических компании. McDonnel Douglas предложила крупную версию DC-X, DC-XA, или Clipper Graham. Rockwell International (совместно с Northrop Grumann) предложила транспортное средство на базе челнока шаттла со многими улучшениями. Но в июле 1996 года NASA выбрало курс на сближение с Lockheed Martin Corporation, поскольку их план подразумевал использование множества технологических инноваций, и компания обещала много интересного в плане развития МРН после X-33.

План Lockheed Martin был в оснащении МРН новым двигателем — клиновоздушным ракетным двигателем. Вместо того, чтобы использовать обычный кластер конусообразных ракетных сопел, эта конструкция использовала несколько сопел, расположенных линейно вдоль краев прямоугольных клиньев. Автоматическая система управления полетом самостоятельно регулировала бы дроссели на каждом из семи двигателей транспортного средства. План также включал конструкцию «несущего корпуса», в котором весь транспорт представлял собой корпус с маленькими крыльями. Большая площадь X-33 эффективно бы распределяла тепло при повторном входе в атмосферу и задействовала тепловые экраны нового типа.

X-33 должен был быть 20,4 метра в длину и 20,7 метра в ширину. Скорость — 17 000 километров в час, что недостаточно для выхода на орбиту. Первый полет ожидался в марте 1999 года.
Корабль по имени VentureStar

Lockheed Martin назвала концепт свой МРН, которая должна была выйти после X-33 VentureStar. Она была бы идентична X-33, но в два раза длиннее и шире. Она смогла бы поднять 18 160 килограмм полезного груза. Первый полет был запланирован на 2004 год.

По плану VentureStar должна была быть полностью автоматизированной — корабль не включал бы экипаж. Направление для каждой миссии программировалось бы в бортовом компьютере системы. Автоматическая система контроля управляла бы всем, от двигателя и направления до пути полета. Люди на транспортном средстве были бы просто пассажирами. Отдельная капсула с системой жизнеобеспечения находилась бы в грузовом отсеке МРН.

К сожалению, проект был закрыт в 2001 году на стадии разработки X-33 после столкновения с серьезными техническими затруднениями и отсутствием финансирования. Теперь вся надежда остается только на SpaceX и ее разработки. Именно Элон Маск, как никто другой, понимает всю важность создания многоразовой ракеты-носителя, чем, собственно, сейчас и занимается SpaceX.

По плану NASA разработки ракет-носителей силами частных компаний должны были облегчить доставку астронавтов на МКС. Собственно, так и произошло: сейчас NASA заключила контракты с Lockheed Martin, Boeing и, совсем недавно, SpaceX.

С момента своего первого полета в 1981 году космический шаттл, несмотря на свою ограниченность, был очень полезным инструментом. Экипажи шаттла запустили коммерческие и военные спутники в космос, ремонтируют сломанные спутники (в том числе и уже не работающий космический телескоп Хаббла) и проводят важные научные эксперименты. Но в будущем многоразовая ракета-носитель может существенно облегчить выход людей в космос. Такой транспорт стал бы лучшим способом расширения нашего последнего рубежа.