На видео – тестовый полет и посадка китайской многоразовой ступени для ракеты. Китайская стартап-компания испытала небольшую многоразовую ступень своей ракеты Nebula M1, запустив ее на высоту в один километр, после чего осуществив успешный спуск и вертикальную посадку.

Компания Deep Blue Aerospace, основанная в 2017 году, провела испытание 6 мая, ракета приземлилась менее чем в полуметре от центральной части посадочной площадки. Это испытание стало важной вехой в разработке полноразмерной ракеты Nebula-1 с возвращаемой первой ступенью и ознаменовало собой еще одну ступень на пути к созданию китайских многоразовых ракет-носителей.

Ракета Nebula M1 – это прототип разрабатываемой компанией ракеты Небула-1. Ее высота всего около 20 м, а диаметр – 2,25 м. Она приводится в движение керосин-кислородным двигателем переменной тяги Leiting-5 («Гром-5») с электрическим насосом.

Ракета Nebula-M ранее уже использовалась в двух предыдущих успешных запусках на высотах 10 и 100 метров. И теперь компания планирует провести летные испытания на высотах в 10 и 100 км уже с полноразмерной тестовой ступенью РН «Небула-1», которая будет иметь диаметр 3,35 м и высоту около 30 м.

А первый орбитальный запуск и посадка ракеты Nebula-1 запланирован на конец 2024 года.

Deep Blue Aerospace – не единственная частная китайская компания, разрабатывающая многоразовые ступени РН.

В 2019 году китайский стартап Linkspace провел летные испытания с успешной вертикальной посадкой прототипа своей ракеты RLV-T5. И теперь Linkspace теперь нацелена на 100-километровое испытание ракеты в четвертом квартале этого года.

Кроме того, Пекинская компания iSpace разрабатывает двухступенчатую ракету-носитель Hyperbola-2 с возвращаемой первой ступенью. Хотя пока у компании в арсенале есть только четырехступенчатая не многоразовая ракета Hyperbola-1, которая уже трижды была запущена, но два запуска закончились неудачей.

Другая компания Galactic Energy, также базирующаяся в Китае, разрабатывает многоразовую ракету Pallas-1, которая как ожидается будет способна выводить до 5 тонн полезной нагрузки на НОО, и осуществлять вертикальную посадку подобно ракете Falcon 9 компании SpaceX. На данный момент у компании уже есть 20-метровая не многоразовая ракета Ceres-1, которая в декабре прошлого года успешно вывела пять коммерческих спутников на орбиту.

Еще одна пекинская компания Space Pioneer работает над созданием своей многоразовой ракеты носителя с 2015 года. К настоящему моменту компания провела несколько статических огневых испытаний двигателей своей ракеты, летные испытания еще не проводились.

И это только те компании, которые работают над созданием многоразовых носителей. Но помимо перечисленных, в Китае есть еще несколько частных компаний, разрабатывающих свои ракеты-носители.

Например, компания ExPace уже более 10 раз успешно запускала свою небольшую ракету Куайчжоу-1, способную выводить на низкую околоземную орбиту до 300 кг ПН, и до 200 кг ПН на солнечно-синхронную орбиту. ExPace работает также над более мощной ракетой Куайчжоу-11, которая будет выводить до 1500 кг на НОО. Ее первый неудачный и пока единственный запуск состоялся в 2020 году.

Еще одна компания LandSpace разрабатывает легкую и среднюю РН Zhuque-1 и 2. Первый запуск легкой ракеты состоялся в 2018 году, тогда полезная нагрузка не была выведена на заданную орбиту. Сейчас компания готовится к запуску ракеты Zhuque-2, способной выводить до 4 т на НОО. Запуск ожидается в этом году.

PS. Давайте немного поговорим о многоразовости носителей и проблемах, которые она поднимает.

Илон Маск задал тренд, и показал возможность создания многоразовых ступеней на современном технологическом уровне. За что ему и его инженерам честь и хвала. Однако он задал также и метод – ракетную посадку. И этот метод имеет отрицательные стороны, многие из которых неспециалисту неочевидны.

Чем эффективнее развесовка ракеты, то есть отношение стартовой массы ступени к ее конечной массе – тем больше разница между необходимой для взлета и посадки тягой двигателей. Условно говоря, на старте двигатели должны давать 500 тонн тяги, а при посадке – менее 50. А это означает, что двигатели ступени должны уметь работать как с высокой тягой, так и с низкой тягой. Учитывая конструкцию современных РД, существует предел дросселирования (регулировки тяги), который может быть достигнут. И этот предел обычно находится на уровне примерно 50% от полной тяги. Это вызвано требованиями надежности сгорания топлива и устойчивости процессов в камере сгорания РД.

Это приводит к многодвигательной компоновке РД, как у Маска – короче, нам потребуется примерно от пяти двигателей и более на ступени, если эти двигатели будут одной тяги. А это, во-первых, неудобно, и во-вторых, в связи с усложнением конструкции, увеличивает риски. Также возникают вопросы с условиями работы РД – находящиеся на периферии РД будут работать в иных термических, акустических условиях и с другой диаграммой включения, чем центральные. Отсюда у нас возникает различный износ двигательных агрегатов. И плюс ко всему, чем меньше размеры двигателя, тем сложнее обеспечить высокий удельный импульс. Это связано с разницей процессов на периферии ракетной струи (вступающей во взаимодействие со стенками камеры сгорания и сопла) и в ее центре (где поток является “чистым”).

А чем меньше удельный импульс – тем хуже характеристики двигателя, и тем больше удельный расход топлива, а значит, затраты на посадочные процедуры выше и эффективность ракет ниже.

Для преодоления этой проблемы Маск использует “точное надежное включение” тормозного двигателя. Условно говоря, минимальная тяга тормозного двигателя ВЫШЕ, чем масса ракеты – но он включается лишь на определенное время таким образом, чтобы за сет избытка тяги погасить вертикальную скорость до касания. Вертикальная скорость снижения и инерция ракеты являются той “добавкой массы”, которая балансирует массу ракеты и тягу двигателя. Это позволяет повысить характеристики системы, но требует надежности автоматики и быстрого запуска РД.

Иными словами, создаваемые для такой посадки двигатели должны быть специально оптимизированы.

(Эту проблему можно обойти, используя специальный “посадочный” двигатель – скажем, возвращаемая ступень ракеты будет иметь два основных двигателя, а между ними третий маленький мотор для посадки. Все двигатели включаются на старте, но затем после окончания вывода ПН основные двигатели отключаются, и ракета садится на “посадочном” двигателе.)

Кроме того, при посадке по-ракетному у нас встает проблема безопасности. При обычном старте отработанная ступень проходит вакуумирование (продувку и дегазацию) в верхней части траектории – чтобы не было взрыва и пожара в месте падения. Однако для ракетной посадки ступень должна иметь на борту как горючее, так и окислитель. Кроме того, в месте посадки поверхность и конструкция ракеты подвергаются термическому воздействию, и в некоторых условиях (например, формирование подпочвенного возгорания, или воспламенение элементов конструкции), дегазация баков ракеты после посадки может вызвать взрыв и пожар, в случае контакта стравливаемого из баков горючего или окислителя с разогретыми или тлеющим предметом. Поскольку окислитель у нас криогенный – жидкий кислород – то при стравливании его он стекает низ, как раз в зону двигателей…

В общем, мы видим, что посадка по-ракетному требует решения целого комплекса проблем, некоторые из которых (послепосадочные и межполетные процедуры) универсальны для любого способа возвращения ступени, некоторые (вопросы дренажа баков после посадки) являются специфическими для ракетного способа. В связи с чем возникает мысль о том, что альтернативные способы возвращения (например, посадка по-самолетному) также имеют свои плюсы, как минимум с точки зрения уменьшения сложности процесса возвращения ступеней.

Отдельно следует сказать о финансовой стороне вопроса. Давайте сравним три ракеты. Первая ракета стоит 100 миллионов, она из углепластика, оборудование для её производства стоит миллиард, и она летает десять раз. Вторая ракета стоит 50 миллионов, она сделана из алюминия, оборудование для её производства стоит сто миллионов, и она летает пять раз. И третья – Союз, который стоит 30 миллионов и оборудование для производства которого давно самортизировано (то есть окупило свою стоимость на предыдущих запусках).

Очевидно, что амортизация оборудования распределяется на пуски, и если мы эксплуатируем одну ракету десять раз, то вся стоимость оборудования падает на стоимость запусков экземпляра. Оборудование для алюминиевой ракеты амортизируется на в два раза меньшее число экземпляров – но там и само оборудование в 10 раз дешевле. Итого для первой ракеты мы имеем стоимость запуска 100+100=200 миллионов, для второй – 50+20=70 миллионов. И хотя первая ракета СУЩЕСТВЕННО лучше и продвинутее – цены несоизмеримы. Если же взять Союз, где производственное оборудование неоднократно амортизировано, то получается, что одноразовый носитель стоит всего 30 миллионов за запуск, и он оказывается дешевле настолько, что это не перекрыть никакой многоразовостью.

Естественно, при дальнейшей эксплуатации суперракета будет дешеветь, однако пока она дойдет по средней стоимости запуска до второго носителя из алюминия, должно будет пройти много-много времени, и инвестиции в создание такой суперракеты будут иметь высокое время окупаемости…

Какой отсюда вывод?

А он простой: многоразовая ракета должна быть достаточно небольшой, чтобы запускаться МНОГО раз, достаточно простой технологически, чтобы использовать уже работающее оборудование на производстве, и достаточно дешевой, чтобы окупить серийность в изготовлении.

А если сделать сверхтяжелый носитель, который будет стартовать в десятилетие два-три раза, то ему многоразовость не нужна – она просто никогда не окупится, понимаете?

Китайцы действуют очень правильно – они делают НЕБОЛЬШИЕ ракеты с многоразовой первой ступенью.

Но вот именно для небольших ракет ракетная посадка первой ступени может быть сомнительным методом. Тут просто напрашивается схема с самолетной посадкой. И русские до этого давно додумались:

Сложного тут ничего нет – для посадки используется поворотное крыло и выдвижной турбореактивный двигатель, как на крылатых ракетах. Самолетные стойки шасси позаимствованы от истребителя – поскольку им предстоит воспринимать вес пустой ракеты со сброшенными остатками топлива и окислителя, они достаточно компактны. Система сама возвращается на аэродром, причем основная часть траектории происходит вообще без двигателя, в планировании. Керосина для посадочного двигателя нужно ничтожное количество.