17 января 2021 года с территории аэрокосмического центра Мохаве взлетел модифицированный самолет Boeing 747-400, известный также под названием Cosmic Girl. На его борту находилась ракета LauncherOne, созданная компанией Virgin Orbit. Вскоре самолет достиг заданного района над акваторией Тихого океана. Далее экипаж воздушного судна сбросил ракету.
Вскоре ракета вывела на орбиту 20 малых спутников, предоставленных NASA. Таким образом, LauncherOne вошел в историю как второй носитель, запускаемый по схеме воздушного старта(то есть не вертикально с космодрома, а с самолета-носителя). У многих читателей, возможно, уже возник резонный вопрос: почему, несмотря на ряд, казалось бы, очевидных плюсов, эта схема так и не получила широкого распространения? Давайте разбираться.
Краткая история воздушного старта
Идея воздушного старта берет начало еще с 1940-х годов. Тогда американские военные приступили к испытаниям экспериментальных аппаратов с ракетными двигателями. Проблема заключалась в том, что из-за небольшого запаса топлива продолжительность их полета была ограничена буквально несколькими минутами. Это делало невозможным запуск ракетопланов с аэродромов: во время взлета они бы потратили все горючее, так и не набрав необходимую высоту.
Решением проблемы стало использование специальных носителей, к которым прикреплялись ракетопланы. Достигнув нужной высоты, они отделялись от самолета, после чего продолжали самостоятельный полет. В качестве носителей обычно использовали бомбардировщики. Так, знаменитый Bell X-1, на котором летчик Чак Йегер впервые в истории преодолел звуковой барьер, запускался с B-29. А не менее знаменитый North American X-15 поднимал в небо B-52.
Следующим шагом стало использование бомбардировщиков в качестве платформы для запуска баллистических и противоспутниковых ракет. Так, в 1958-1959 годах был проведен ряд тестов системы Bold Orion, предназначенной для уничтожения космических аппаратов. В качестве носителя выбрали бомбардировщик B-47.
Подобные испытания подготовили почву для появления полноценных проектов систем воздушного старта. Самолет-носитель должен был стать первой ступенью для вывода космических аппаратов на орбиту. К примеру, разработанный компанией North American Rockwell ранний концепт системы Space Shuttle предполагал использование пилотируемого крылатого корабля в качестве первой ступени. После отделения он, как обычный самолет, должен был садиться на аэродром и готовиться к повторному использованию. Если бы план конструкторов воплотился в жизнь, система Space Shuttle стала бы полностью многоразовой. Но NASA не одобрила эту идею, считая ее слишком затратной и сложной в реализации. Было принято решение отказаться от пилотируемой степени в пользу связки из двух боковых твердотопливных ускорителей и внешнего топливного бака.
Он был связан с программой «Спираль», предусматривавшей создание боевого космоплана. Для запуска планировали использовать гиперзвуковой носитель — 52-тонный самолет-разгонщик, способный развить скорость, в шесть раз больше скорости звука. Согласно замыслу разработчиков, после достижения высоты 28-30 км «Спираль» должна была отделиться от носителя и продолжить самостоятельный полет. Однако гиперзвуковой самолет в конце концов так и не был построен, а в середине 1970-х программу закрыли.
Следует отметить, что после распада СССР были анонсированы несколько проектов систем воздушного старта, которые предусматривали использование в качестве носителей Ан-124 и Ан-225. Но они так и не вышли за пределы концептов.
Действующие системы воздушного старта
Первым реально построенным носителем, запускавшимся по схеме воздушного старта, стала трехступенчатая ракета Pegasus, разработанная корпорацией Orbital Sciences (в дальнейшем она вошла в состав компании Orbital ATK, которая в 2018 году была приобретена Northrop Grumman). Работы по ее созданию начались в 1987-м и завершились первым успешным запуском в 1990-м.
Ранняя версия Pegasus имела длину 16,9 м, диаметр 1,27 м и полную массу 18,5 тонн. Она могла вывести на низкую околоземную орбиту (ННО) груз до 400 кг. Первоначально в качестве самолета-носителя использовался модифицированный B-52, принадлежавший NASA, потом его заменил лайнер Lockheed L-1011 TriStar.
В 1994 году была продемонстрирована модернизованная версия ракеты, получившая обозначение Pegasus XL. Ее длина составила 17,6 м, а масса (в заправленном состоянии) — 23,1 тонны. Это позволило увеличить грузоподъемность до 443 кг на ННО.
В первые годы эксплуатации Pegasus не отличался особой надежностью. Из проведенных 14 запусков в период с 1990 по 1996-й три завершились потерей груза. Еще в двух случаях спутники были выведены на более низкую орбиту, чем планировалось.
В конце концов, инженеры сумели привести ракету в порядок — следующие 30 стартов Pegasus были полностью успешными. Впрочем, перспективы носителя выглядят достаточно туманными. Последний коммерческий запуск с его использованием датирован 2003 годом. С тех пор ракета поднималась в космос только в рамках миссий, финансируемых NASA или американскими ВВС.
Сложившаяся ситуация упирается в деньги. Стоимость одного пуска Pegasus составляет почти 40 млн долларов. Подобная сумма еще могла считаться более или менее приемлемой в 1990-х и даже в нулевых. Но появление SpaceX и дальнейшее общее снижение пусковых расценок сделали его неконкурентоспособным с коммерческой точки зрения. Для современных заказчиков нет смысла платить 40 млн долларов за запуск нескольких сотен килограммов груза, когда можно отправить его «попутчиком» на, к примеру, индийской PSLV за куда меньшие деньги. Или, скажем, заказать новенький Falcon 9 за 67 млн долларов (или Falcon 9 с уже летавшей первой ступенью за 50 млн долларов).
В итоге даже NASA отказалась от «воздушного старта», отдав SpaceX контракт на запуск спутника IPEX, хотя изначально эта миссия была запланирована именно под Pegasus. Последней надеждой носителя стала система Stratolaunch. В ее рамках был создан огромный самолет, способный вместить на внешней подвеске сразу три таких ракеты. Однако смерть автора проекта Пола Аллена поставила крест и на этих планах. В результате Northrop Grumman вернула себе две специально построенные для Stratolaunch ракеты, так и оставшиеся невостребованными.
Компания попыталась найти им применение, договорившись о новых пусках с NASA и военными. И если американская аэрокосмическая администрация не заинтересовалась предложением, то Космические силы США выдали контракт на миссию в рамках программы TacRL (Tactically Responsive Launch). Ее основной целью является демонстрация возможности быстрого запуска спутников по заказу военных.
В 2021 году Pegasus вывела на орбиту груз в соответствии с этим контрактом. Однако, судя по всему, этот успех не сильно помог носителю. С тех пор на ракету больше не было ни одного заказа. Вероятно, прошлогодний пуск станет последним в ее истории.
Коммерческие перспективы LauncherOne выглядят более привлекательными. Заявленная стоимость запуска составляет 12 млн долларов, что позволяет конкурировать з другими перспективными малыми носителями. Грузоподъемность составляет до 500 кг на ННО высотой 230 км и до 300 кг — на 500-километровую солнечно-синхронную орбиту (ССО). Для сравнения: грузоподъемность ракеты Electron (после недавней модернизации) составляет до 300 кг на ННО и до 200 кг — на ССО при стоимости приблизительно 7,5 млн долларов за пуск.
На данный момент на счету носителя четыре успешных миссии (неудачным был только дебютный пуск ракеты). Кроме того, Virgin Orbit активно пытается расширить географию своей деятельности. На 2023 год запланирован первый воздушный пуск из Великой Британии. Рассматривается возможность организации полетов из Австралии и Японии. Также компания планирует провести модернизацию LauncherOne, чтобы увеличить ее грузоподъемность, а также оснастить третью ступенью. Это позволит выводить грузы на геостационарные орбиты и межпланетные траектории. Следовательно, у этой системы имеются вполне неплохие шансы не только удержать, но и расширить свою нишу на пусковом рынке.
Перспективы систем воздушного старта
Несмотря на то, что системы воздушного старта не получили широкого распространения, имеющийся опыт создания и эксплуатации подобных носителей все же позволяет сделать определенные выводы по поводу их перспектив. Начнем с преимуществ таких ракет.
Очевидный плюс воздушного старта — запуск с самолета позволяет сэкономить часть топлива и снизить аэродинамические потери за счет того, что в момент отделения ракета уже набрала определенную скорость и ей приходится преодолевать меньший слой воздуха. А это обеспечивает увеличение грузоподъемности по сравнению с наземным запуском.
К тому же для такой системы не требуется специализированный космодром. Самолет-носитель можно запустить из любого аэродрома в любой части земного шара. Это предоставляет возможность вывода полезной нагрузки на широкий спектр орбит с разными наклонениями. Подобные обстоятельства являются весомым плюсом для большинства потенциальных заказчиков.
К сожалению, системы воздушного старта имеют существенные недостатки, ограничивающие сферу их применения. Да, запуск ракеты с самолета дает определенный выигрыш в грузоподъемности по сравнению с наземным стартом, но на самом деле он не столь велик и составляет несколько процентов. В одном из интервью Илон Макс прокомментировал ситуацию следующим образом: «Вы находитесь на большой высоте и движетесь со скоростью 0,7-0,8 Маха… На первый взгляд, это должно отразиться на росте грузоподъемности, не правда ли? К сожалению, ответ «нет». Удобство весьма небольшое. Возможно, вы увеличите грузоподъемность на 5%… но при этом придется столкнуться с обслуживанием огромного самолета. По сути, это то же самое, что получить дополнительную степень. С точки зрения SpaceX проще увеличить на 5% первую степень, чем добавить в схему гигантский самолет».
Изменить нынешнюю ситуацию могло бы появление гиперзвукового самолета-носителя типа того, который планировали построить для «Спирали». Подобный носитель сумел бы существенно увеличить КПД всей системы. Но, к сожалению, такие аппараты существуют только на бумаге. И даже если кто-то решится построить гиперзвуковой разгонщик, его создание потребует больших затрат времени и денег. А это уже может свести на нет все экономические преимущества от его использования для запусков ракет.
Другим существенным ограничением воздушного старта является грузоподъемность носителя. Запуск с обычного самолета подходит для небольших ракет. Но если мы хотим отправить на орбиту груз массой пару тонн, нам придется использовать самолеты-гиганты, существующие в единичных экземплярах (вроде Stratolaunch). Для запусков более тяжелых грузов необходимо создать еще большие воздушные платформы. Расходы на их строительство, снова-таки, могут свести на нет всю потенциальную выгоду.
Еще одним важным обстоятельством является фактор структурной прочности полезной нагрузки и ракеты-носителя. Космические аппараты довольно часто разрабатываются с требованием выдерживать только осевые перегрузки, поэтому горизонтальная сборка (ситуация, когда спутник лежит «на боку») для них недопустима.
Наконец, следует напомнить, что, хотя самолет с ракетой теоретически и может взлететь с любого аэродрома, для него все равно необходима сервисная инфраструктура. По опыту эксплуатации Pegasus, почти всегда носитель запускался с территории американских космодромов и испытательных центров, что во многом нивелировало фактор мобильности.
Подытоживая вышесказанное, можно утверждать, что системы воздушного старта способны занять определенную нишу. Несмотря на то, что их преимущества во многом компенсируются недостатками, при правильном подходе они могут быть коммерчески успешными. Но на нынешнем технологическом уровне этот сегмент будет ограничен малыми носителями, запускаемыми с обычных самолетов. Как свидетельствует печальная история Stratolaunch, огромные специально созданные воздушные платформы, имеющие эффектный вид на презентациях и привлекающие внимание прессы, не дают никаких финансовых преимуществ.
Ситуация может измениться при условии появления в будущем доступных гиперзвуковых самолетов, способных обеспечить выведение на орбиту грузов средней массы. Но даже при таком сценарии можно смело утверждать, что большинство космических носителей будут запускаться традиционным способом.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
