Взлёт, 2016 № 03 (135)

«Самолетный» способ обеспечивает точную посадку (например, на аэродром на острове вдоль трассы выведения ракеты), приемлемые механические и тепловые нагрузки. Но крыло, шасси и оперение не только дорого стоят (пример — Space Shuttle) — это дополнительная инертная масса, которая не помогает при выведении на орбиту и «съедает» львиную долю полезной нагрузки.

Маск изначально заявил, что «крыльям в космосе не место». При попытках спасения первых ступеней легкой ракеты-носителя Falcon 1 (2006—2009 гг.) разочаровался он и в парашюте. В результате, ставка была сделана на реактивную посадку.

Идея эта не нова: еще в начале 1960-х компания Douglas предлагала одноступенчатый орбитальный носитель вертикального взлета и посадки многократного использования на базе технологий ракеты Satum 5. Технически вертикальная посадка на маршевых ракетных двигателях была опробована два десятилетия назад в многоразовом демонстраторе DC-X (Delta Clipper Experimental Vehicle): в 1993—1996 гг. аппарат совершил 11 экспериментальных полетов, в ходе которых взлетал, зависал в воздухе, перемещался и маневрировал, а затем совершал реактивное приземление.

Ракета-носитель Falcon 9 c исследовательским спутником Jason 3 накануне старта 17 января 2016 г. с космодрома на авиабазе Ванденберг, штат Калифорния

Компания SpaceX начала отработку данной техники на своем полигоне в Макгрегоре (шт. Техас), где в 2012—2013 гг. выполнил 8 полетов полномасштабный демонстратор Grasshopper («Кузнечик»), имитирующий первую ступень ракеты Falcon 9. Имея всего один двигатель и примитивное посадочное устройство, он взлетал и совершал вертикальную посадку. Пришедший ему на смену F9R-Dev1 был построен на базе стендовой первой ступени Falcon 9 v1.1, оснащался уже тремя двигателями и четырьмя раскрывающимися посадочными опорами. В апреле—августе 2014 г. он четырежды стартовал успешно, отрабатывая зависание и маневрирование и поднимаясь на высоту 1000 м. Пятый полет 22 августа 2014 г. завершился аварией: из-за сбоя системы управления наследник «Кузнечика» стал уходить из дозволенной зоны и был уничтожен в воздухе системой аварийного подрыва по команде с земли.

В дальнейшем мягкая посадка отрабатывалась в «штатных» миссиях. После выведения полезных грузов на орбиту первая ступень ракеты Falcon 9 совершала либо имитационное приводнение, либо реальное приземление на палубу специально оборудованного автономного судна ASDS (Autonomous Spaceport Drone Ship), оснащенного подруливающими моторами, которые обеспечивали точное позиционирование в океане, в т. ч. при плохой погоде.

Ракетчики Илона Маска дважды пытались посадить ракету на такую баржу. В первый раз, 10 января 2015 г., ступень села слишком жестко (был исчерпан запас гидравлической жидкости системы управления аэродинамическими рулями) и взорвалась. Вторая попытка, 14 апреля 2015 г., снова прошла не так гладко, как хотелось: из-за избытка боковой скорости ступень сломала две посадочные «ноги» и опрокинулась. Оба случая признавались частично успешными (в реальности — неудачными), и судно ASDS доставляло в порт лишь жалкие обломки ступени...

При запуске 22 декабря 2015 г. было решено приземлить первую ступень на сушу, в посадочной зоне LZ-1 (Landing Zone 1), специально оборудованной примерно в 10 км от места старта на мысе Канаверал (шт. Флорида, восточное побережье США).

С точки зрения энергетики ракеты посадка с возвращением к месту старта крайне невыгодна: после выполнения основной задачи выведения первой ступени приходится полностью гасить горизонтальную составляющую скорости (более 1 км/с), а затем фактически лететь по баллистической траектории назад. Однако при этом резко упрощаются процедуры перемещения приземлившегося изделия к месту повторного запуска или проведения ремонтно-восстановительных работ. Да и совершить посадку на устойчивую земляную или бетонированную площадку на суше проще, чем на покачивающуюся палубу судна в океане. Тем не менее, от посадки в океан (на плавучую платформу или остров по трассе выведения) не уйти — иначе невозможно минимизировать потери массы полезной нагрузки.

Возвращаемая первая ступень ракеты-носителя Falcon 9 за мгновения до успешного приземления на посадочную площадку на мысе Канаверал, штат Флорида, 22 декабря 2015 г.

Циклограмма пуска и возвращения первой ступени ракеты-носителя Falcon 9

В этот раз задачу упрощало то, что ракета несла в космос 11 спутников Orbcomm OG2 общей массой чуть более 2 т (при штатной грузоподъемности свыше 13 т), и траекторию выведения на орбиту высотой свыше 600 км можно было сделать достаточно крутой, чтобы первая ступень не улетала слишком далеко от места пуска.

Старт и полет носителя прошли рутинно — все спутники оказались на орбите, близкой к расчетной. Но, естественно, публика (да и специалисты) ждала именно посадки. Ступень отработала примерно 145 с и отделилась на высоте 74,6 км при скорости 1,67 км/с. Поднимаясь в пассивном полете, она развернулась хвостом вперед и через 3 мин 50 с после старта повторно включила три из девяти маршевых двигателей. Проработав 30 с, они сформировали траекторию возвращения. Второе включение продолжительностью 28 с последовало примерно через 8 мин 12 с после старта, обеспечив снижение скорости (а, значит, и тепловых потоков) при входе ступени в плотную атмосферу.

Последнее включение длительностью около 32 с выполнил центральный двигатель непосредственно перед посадкой, примерно через 10 мин после старта ракеты. Ступень садилась в темноте, в клубах дыма. Лишь когда он рассеялся, публике предстало огромное 42-метровой высоты изделие, вертикально стоящее на своих опорах. Приблизившись к нему, обслуживающая команда убедилась, что приземление произошло в считанных метрах от центра посадочной площадки. Это был триумф!

По горячим следам команда Илона Маска решила закрепить декабрьский успех: 17 января 2016 г. с космодрома на авиабазе Ванденберг (шт. Калифорния, западное побережье США) запускался исследовательский спутник Jason 3. Власти штата не дали разрешения на пролет ступени через природоохранную зону на суше, поэтому было решено сажать первую ступень ракеты на палубу ASDS. Выведение на орбиту было успешным, а посадка удалась... почти.

После разделения первая ступень ушла от пламени двигателя второй ступени, затем развернулась хвостом вперед и выдала короткий тормозной импульс, который начался через 4 мин 30 с после старта. Снова работали три двигателя из девяти. Второе включение длительностью 25 с состоялось после того, как ступень снизилась до высоты 70 км. В третьем импульсе, через 8,5 мин после старта, был задействован только центральный двигатель — он обеспечивал окончательное торможение и мягкую посадку ступени на палубу баржи.