17 січня 2021 року з території аерокосмічного центру Мохаве злетів модифікований літак Boeing 747-400, відомий також під назвою Cosmic Girl. На його борту перебувала ракета LauncherOne, створена компанією Virgin Orbit. Незабаром літак досяг заданого району над акваторією Тихого океану. Далі екіпаж повітряного судна скинув ракету.
Незабаром ракета вивела на орбіту 20 малих супутників, наданих NASA. Таким чином, LauncherOne увійшов в історію як другий носій, що запускається за схемою повітряного старту (тобто не вертикально з космодрому, а з літака-носія). У багатьох читачів, можливо, вже виникло резонне питання: чому, незважаючи на ряд, здавалося б, очевидних плюсів, ця схема так і не набула широкого поширення? Давайте розбиратися.
Коротка історія повітряного старту
Ідея повітряного старту бере початок ще з 1940-х років. Тоді американські військові розпочали випробування експериментальних апаратів із ракетними двигунами. Проблема полягала в тому, що через невеликий запас палива тривалість їхнього польоту була обмежена буквально кількома хвилинами. Це унеможливлювало запуск ракетопланів з аеродромів: під час злету вони б витратили все пальне, так і не набравши необхідну висоту.
Розв’язанням проблеми стало використання спеціальних носіїв, до яких прикріплювалися ракетоплани. Досягнувши потрібної висоти, вони відокремлювалися від літака, після чого продовжували самостійний політ. Як носії зазвичай використовувалися бомбардувальники. Так, відомий Bell X-1, на якому льотчик Чак Єгер вперше в історії подолав звуковий бар’єр, запускався з B-29. А не менш знаменитий North American X-15 підіймав у небо B-52.
Наступним кроком стало використання бомбардувальників як платформи для запуску балістичних і протисупутникових ракет. Так, у 1958-1959 роках була проведена низка тестів системи Bold Orion, призначеної для знищення космічних апаратів. Носієм обрали бомбардувальник B-47.
Подібні випробування підготували ґрунт для появи проєктів повноцінних систем повітряного старту. Літак-носій мав стати першою сходинкою для виведення космічних апаратів на орбіту. Наприклад, розроблений компанією North American Rockwell ранній концепт системи Space Shuttle припускав використання пілотованого крилатого корабля в якості першого ступеня. Після відділення він, як звичайний літак, мав сідати на аеродром і згодом готуватися до повторного використання. Якби задум конструкторів утілився в життя, система Space Shuttle стала би повністю багаторазовою. Але NASA не схвалила цю ідею, вважаючи її надто затратною та складною в реалізації. Було ухвалене рішення відмовитися від пілотованої ступені на користь зв’язки з двох бічних твердопаливних прискорювачів і зовнішнього паливного бака.
Свій проєкт системи повітряного старту мав також і СРСР. Він був пов’язаний з програмою «Спіраль», що передбачала створення бойового космоплана. Для запуску планували використати гіперзвуковий носій — 52-тонний літак-розгонщик, здатний розвинути швидкість, вшестеро більшу за швидкість звуку. Згідно з задумом розробників, після досягнення висоти 28-30 км «Спіраль» мала би відділитися від носія та продовжувати самостійний політ. Проте гіперзвуковий літак урешті так і не був побудований, а в середині 1970-х програму закрили.
Варто зазначити, що після розпаду СРСР було анонсовано кілька проєктів систем повітряного старту, які передбачали використання в якості носіїв Ан-124 та Ан-225. Але вони так і не вийшли за межі концептів.
Чинні системи повітряного старту
Першим реально побудованим носієм, що запускається за схемою повітряного старту, стала триступенева ракета Pegasus, розроблена корпорацією Orbital Sciences (надалі вона увійшла до складу компанії Orbital ATK, яка в 2018 році була придбана Northrop Grumman). Роботи з її створення почалися 1987-го й завершилися першим успішним запуском у 1990 році.
Рання версія Pegasus була завдовжки 16,9 м, мала діаметр 1,27 м і повну масу 18,5 тонн. Вона могла вивести на низьку навколоземну орбіту (ННО) вантаж до 400 кг. Спочатку як літак-носій використовувався модифікований B-52, що належав NASA, потім його замінив лайнер Lockheed L-1011 TriStar.
В 1994 році була продемонструвана модернізована версія ракети, що отримала позначення Pegasus XL. Її довжина склала 17,6 м, а маса (в заправленому стані) — 23,1 тонни. Це дозволило збільшити вантажопідйомність до 443 кг на ННО.
У перші роки експлуатації Pegasus не вирізнявся особливою надійністю. З проведених 14 запусків у період з 1990 по 1996 роки три завершилися втратою вантажу. Ще у двох випадках супутники були виведені на нижчу орбіту, ніж планувалося.
Зрештою, інженери зуміли довести ракету до ладу — наступні 30 стартів Pegasus були повністю успішними. Втім, перспективи носія видаються досить туманними. Фінальний комерційний запуск із його використанням датований 2003 роком. Відтоді ракета здіймалася в космос лише у межах місій, що фінансуються NASA чи американськими ВПС.
Ситуація, що склалася, впирається в гроші. Вартість одного пуску Pegasus складає майже 40 млн доларів. Подібна сума ще могла вважатися більш-менш прийнятною в 1990-х і навіть у нульових. Але поява SpaceX і подальше загальне зниження пускових розцінок зробили її неконкурентоспроможною з комерційної точки зору. Для сучасних замовників немає сенсу платити 40 млн доларів за запуск кількох сотень кілограмів вантажу, коли можна відправити його «попутником» на, приміром, індійській PSLV за куди менші гроші. Або ж, скажімо, замовити новенький Falcon 9 за 67 млн доларів (або Falcon 9 із першим ступенем, що вже літав, за 50 млн доларів).
Зрештою, навіть NASA відмовилася від «повітряного старту», віддавши SpaceX контракт на запуск супутника IPEX, хоча спочатку ця місія була запланована саме під Pegasus. Останньою надією носія стала система Stratolaunch. У її межах був створений величезний літак, здатний вмістити на зовнішній підвісці відразу три такі ракети. Однак смерть автора проєкту Пола Аллена поставила хрест і на цих планах. У результаті Northrop Grumman повернула собі дві спеціально побудовані для Stratolaunch ракети, що так і лишилися незатребуваними.
Компанія спробувала знайти їм застосування, домовившись про нові запуски з NASA та військовими. І в той час, як американська аерокосмічна адміністрація не зацікавилася пропозицією, Космічні сили США видали контракт на місію в межах програми TacRL (Tactically Responsive Launch). Її основною метою є демонстрація можливості швидкого запуску супутників на замовлення військових.
У 2021 році Pegasus вивела на орбіту вантаж за цим контрактом. Однак, судячи з усього, цей успіх не сильно допоміг носієві. Відтоді на ракету більше не було жодного замовлення. Ймовірно, що минулорічний пуск стане останнім у її історії.
Комерційні перспективи LauncherOne видаються привабливішими. Заявлена вартість запуску складає 12 млн доларів, що дозволяє конкурувати з іншими перспективними малими носіями. Вантажопідйомність становить до 500 кг на ННО заввишки 230 км і до 300 кг — на 500-кілометрову сонячно-синхронну орбіту (ССО). Для порівняння^ вантажопідйомність ракети Electron (після недавньої модернізації) складає до 300 кг на ННО та до 200 кг — на ССО за вартості приблизно 7,5 млн доларів за пуск.
На даний момент на рахунку носія є чотири успішні місії (невдалим був лише дебютний пуск ракети). Крім того, Virgin Orbit активно намагається розширити географію своєї діяльності. На 2023 рік запланований перший повітряний пуск із Великої Британії. Розглядається можливість організації польотів із Австралії та Японії. Також компанія планує провести модернізацію LauncherOne, щоб збільшити її вантажопідйомність, а також оснастити її третім ступенем. Це дозволить виводити вантажі на геостаціонарні орбіти та міжпланетні траєкторії. Отже, у цієї системи є цілком непогані шанси не лише утримати, а й розширити свою нішу на пусковому ринку.
Перспективи систем повітряного запуску
Попри те, що системи повітряного старту ще не набули широкого поширення, наявний досвід створення та експлуатації подібних носіїв все ж дозволяє зробити певні висновки з приводу їхніх перспектив. Почнемо з переваг таких ракет.
Очевидний плюс повітряного старту — запуск із літака дозволяє заощадити частину палива та знизити аеродинамічні втрати за рахунок того, що в момент відділення ракета вже набрала певну швидкість і їй доводиться долати менший шар повітря. А це забезпечує збільшення вантажопідйомності у порівнянні з наземним запуском.
До того ж для такої системи не потрібен спеціалізований космодром. Літак-носій можна запустити з будь-якого аеродрому в будь-якій частині земної кулі. Це дає можливість виведення корисного навантаження на широкий спектр орбіт із різним нахилом. Подібні обставини є вагомим плюсом для більшості потенційних замовників.
На жаль, системи повітряного старту мають суттєві недоліки, що істотно обмежують сферу їхнього застосування. Так, запуск ракети з літака дає певну вигоду в вантажопідйомності у порівнянні з наземним стартом, але насправді вона не настільки велика і становить кілька відсотків. В одному з інтерв’ю Ілон Макс прокоментував ситуацію наступним чином: «Ви перебуваєте на великій висоті та рухаєтеся зі швидкістю 0,7-0,8 Маха… На перший погляд, це має відобразитись у зростанні вантажопідйомності, чи не так? На жаль, відповідь «ні». Вигода вельми невелика. Можливо, ви збільшите вантажопідйомність на 5%… але при цьому доведеться мати справу з обслуговуванням величезного літака. По суті, це те саме, що отримати додатковий ступінь. З точки зору SpaceX простіше збільшити на 5% перший ступінь, ніж додати в схему гігантський літак».
Змінити нинішню ситуацію могла би поява гіперзвукового літака-носія на кшталт того, який планували побудувати для «Спіралі». Подібний носій зумів би істотно збільшити ККД всієї системи. Але, на жаль, такі апарати наразі існують лише на папері. Й навіть якщо хтось зважиться побудувати гіперзвуковий розгонщик, його створення вимагатиме великих витрат часу та грошей. А це вже може звести нанівець усі економічні переваги від його використання для запусків ракет.
Іншим вагомим обмеженням повітряного старту є вантажопідйомність носія. Запуск зі звичайного літака підходить для невеликих ракет. Але якщо ми хочемо відправити на орбіту вантаж масою пару тонн, нам доведеться використовувати літаки-гіганти, що існують в одиничних екземплярах (на кшталт Stratolaunch). Для запусків важчих вантажів потрібно створити ще більші повітряні платформи. Витрати на їхнє будівництво, знову-таки, можуть звести нанівець усю потенційну вигоду.
Ще однією важливою обставиною є фактор структурної міцності корисного навантаження та ракети-носія. Космічні апарати досить часто розробляються з вимогою витримувати лише осьові перевантаження, і горизонтальна збірка (ситуація, коли супутник лежить «на боці») для них неприпустима.
Нарешті, варто сказати, що хоча літак із ракетою теоретично й може злетіти з будь-якого аеродрому, але для нього все одно необхідна сервісна інфраструктура. З досвіду експлуатації Pegasus, майже завжди носій запускався з території американських космодромів і випробувальних центрів, що багато в чому нівелювало фактор мобільності.
Підсумовуючи вищесказане, можна стверджувати, що системи повітряного старту здатні зайняти певну нішу. Попри те, що їхні переваги багато в чому компенсуються недоліками, за правильного підходу вони можуть бути комерційно успішними. Але на нинішньому технологічному рівні цей сегмент буде обмежений малими носіями, що запускаються зі звичайних літаків. Як свідчить сумна історія Stratolaunch, величезні спеціально створені повітряні платформи, що мають ефектний вигляд на презентаціях і привертають увагу преси, не дають жодних відчутних фінансових переваг.
Ситуація може змінитися за умови появи в майбутньому доступних гіперзвукових літаків, здатних забезпечити виведення на орбіту вантажів середньої маси. Але навіть за такого сценарію можна сміливо стверджувати, що більшість космічних носіїв запускатимуться традиційним способом.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
