Космические тяжеловесы: прошлое и будущее самых мощных ракет-носителей

В 1903 году калужский учитель Константин Циолковский опубликовал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами», где математически доказал, что космос покорится ракетам на жидком химическом топливе. Циолковский вывел формулу, позволявшую установить необходимую массу ракеты, зная вес полезного груза и скорость, до которой его нужно разогнать. Согласно расчётам Циолковского, чтобы вывести ракету на околоземную орбиту, достаточно топлива массой лишь вчетверо больше массы самой ракеты.

Циолковский ошибся. Он использовал абстрактный идеальный случай, в котором не учитывалось множество факторов, прежде всего эффективность двигателей. Это стало ясно, когда теория дополнилась практикой. Первая космическая ракета-носитель Р-7, построенная советскими инженерами, состояла из двух ступеней и сама по себе весила 27 тонн, а в заправленном состоянии — около 280 тонн (почти в 10 раз больше). Причём она могла вывести на орбиту груз с массой в пределах тонны. Получается, у ранних вариантов Р-7 соотношение массы ракеты к полезной нагрузке было просто запредельным — 280:1!

Испытания Р-7 начались в 1957 году. С тех пор ракету неоднократно модернизировали, и сегодня мы знаем её под названием «Союз». Если взять самую современную трёхступенчатую модификацию «Союз-2.1б», то она при полной заправке без головной части весит до 311 тонн, а на орбиту способна вывести до 8 тонн. Соотношение уменьшилось до 38:1, но, согласитесь, оно всё равно значительно.

Разумеется, конструкторы постоянно ищут способы облегчить конструкцию ракет и увеличить эффективность двигателей. И всё же одна из главных проблем — построить ракету, которая бы вывела на орбиту большой космический корабль, способный доставить людей до Луны, Марса и далее, — остаётся трудноразрешимой. Дело в том, что такой корабль должен не просто иметь средства управления и системы жизнеобеспечения; он должен быть самостоятельной ракетой с двигателями, топливными баками, посадочными и взлётными агрегатами, ведь вне Земли нет стартовых комплексов, которые могут обеспечить его всем необходимым. Даже по самым скромным оценкам межпланетный корабль должен весить около 100 тонн. Ракета, способная вывести его в космос, будет весить тысячи тонн, поэтому её и называют сверхтяжёлой. Не всякое государство в силах построить такую, равно как и соответствующий ей стартовый комплекс, хотя попытки предпринимались неоднократно.

Самая известная сверхтяжёлая ракета — американский «Сатурн-5» (Saturn V). С начала 1960-х годов она создавалась командой немецкого конструктора Вернера фон Брауна по заказу NASA, чтобы доставить астронавтов к Луне на корабле «Аполлон». Изначально планировалось, что корабль будет садиться на лунную поверхность целиком. Он получался громоздким, поэтому для него проектировали гигантскую ракету «Нова» (NOVA). В теории она могла доставить на околоземную орбиту 170–190 тонн, а к Луне — от 48 до 75 тонн.

Однако расчёты показывали, что конструирование, строительство и испытания «Новы» займут слишком много времени и американский астронавт не успеет высадиться на Луну до конца 1970 года, как требовало правительство США. Решение нашёл инженер Джон Хуболт из Исследовательского центра имени Лэнгли: он предложил сесть на Луну в небольшом специальном модуле, оставив на селеноцентрической орбите главный корабль с командным модулем и ракетной ступенью для возвращения к Земле. Благодаря этой оригинальной идее массу «Аполлона» удалось уменьшить до 110 тонн, и на околоземную орбиту его смог вывести более простой носитель.

«Сатурн-5» состоял из трёх ступеней: S-IC с пятью двигателями F-1, S-II с пятью двигателями J-2 и S-IVB с одним двигателем J-2. Конечно, главной изюминкой были сами двигатели. F-1 работал на смеси керосина с жидким кислородом; у него были не самые оптимальные характеристики, зато он развивал чудовищно большую тягу и по мощности в восемь раз превосходил двигатели РД-107 и РД-108, применявшиеся в советской ракете Р-7. Что касается J-2, в то время ему вообще не было аналогов, поскольку он сжигал смесь водорода с кислородом — лучшее химическое топливо из возможных, на что указывал ещё Циолковский. Высота ракеты составляла 110,6 метра, стартовая масса варьировалась в зависимости от задач миссии «Аполлона»: от 2822 до 2965 тонн. 26 июля 1971 года «Сатурн-5» установил абсолютный рекорд, выведя на низкую околоземную орбиту корабль «Аполлон-15» с разгонной ступенью общим весом 140,5 тонны!

Таким образом за счёт более мощных двигателей, часть из которых работали на идеальном топливе, создателям ракеты удалось снизить соотношение массы заправленного носителя к массе полезного груза до 20:1. Однако сам «Сатурн-5» оказался очень громоздким изделием, которое требовало тщательной и долгой подготовки к запуску.

Советские учёные и инженеры тоже готовили свой вариант экспедиции на Луну. Для доставки туда корабля с двумя космонавтами (в документах он обозначался как Л-3) главный конструктор Сергей Королёв предложил использовать сверхтяжёлую ракету Н-1 с большим количеством кислородно-керосиновых двигателей НК, создаваемых под руководством Николая Кузнецова. В варианте 1962 года ракета имела стартовую массу 2200 тонн при грузоподъёмности 75 тонн (соотношение 29,3:1). Однако быстро выяснилось, что корабль будет весить 200 тонн, так что нужно было запустить как минимум три ракеты, чтобы собрать его на орбите и отправить к Луне. Королёв потребовал от проектантов увеличить количество двигателей и добавить четвёртую и пятую ступени; это позволило повысить грузоподъёмность до 95 тонн. В проект корабля тоже были внесены существенные изменения. В итоге удалось получить вариант с одним пуском ракеты.

К сожалению, Н-1 так и не полетела. Первая ракета из серии стартовала на Байконуре 21 февраля 1969 года, но на 68-й секунде полёта автоматика отключила двигатели из-за возникшего пожара. Второй пуск Н-1, состоявшийся 3 июля, привёл к тому, что ракета упала на стартовый стол и взорвалась, разрушив его. В июне 1971 года завершилась аварией попытка запустить третью ракету, а в ноябре следующего года погибла четвёртая. Партийное руководство пришло к выводу, что дальнейшая поддержка лунного проекта нецелесообразна. Летом 1974 года все работы над Н-1 были прекращены, а готовые изделия уничтожены.

После завершения лунной гонки стало ясно, что двигаться дальше — к Марсу, поясу астероидов и планетам-гигантам — невозможно без тщательной подготовки. Поэтому возобладала другая стратегия: стремление расширять околоземную инфраструктуру за счёт обитаемых орбитальных станций и многоразовых космических кораблей.

В Соединённых Штатах была принята к реализации программа «Спейс Шаттл» (Space Shuttle). Она предусматривала строительство пилотируемых крылатых кораблей, которые взлетали самостоятельно по принципу ракеты, а возвращались на аэродром как самолёты. Несмотря на то, что двигатели шаттлов работали на кислородно-водородной смеси, вся эта ракетно-космическая система оказалась весьма скромной по грузоподъёмности. При стартовой массе 2030 тонн она доставляла на орбиту 25 тонн, а к Международной космической станции — всего 16. Впрочем, она могла вернуть на Землю 14,4 тонны груза (например, старый спутник или материалы, полученные с помощью космического производства), что делало её в этом смысле уникальной.

Разработчики шаттлов верили, что относительно низкую грузоподъёмность компенсирует многоразовость: если бы шаттлы летали на орбиту раз в две недели, выполняя государственные, военные и частные коммерческие заказы, то цена за доставку в космос килограмма груза снизилась бы на порядки. В перспективе это позволило бы отказаться от любых других носителей. Кроме того, для научно-исследовательских миссий в грузовых отсеках шаттлов планировали размещать лабораторный модуль: в нём можно было бы проводить эксперименты, которые помогли бы начать подготовку к экспедиции на Марс.

Однако после старта полётов выяснилось, что эксплуатация шаттлов требует больших усилий на пределах возможностей людей и техники, поэтому соблюсти график частых полётов не получится. Стремясь выполнять заказы в назначенные сроки, руководство NASA стало принимать рискованные решения, что в итоге обернулось гибелью кораблей с экипажами. «Челленджер» погиб 28 января 1986 года, а «Колумбия» — 1 февраля 2003 года. Правительство США отказалось от шаттлов, при этом утвердив в 2004 году новую перспективную программу «Созвездие» (Constellation), нацеленную на достижение Луны и Марса.

И опять возникла необходимость строить сверхтяжёлый носитель. Новый вариант получил название «Арес-5» (Ares V), он должен был выводить на орбиту от 125 до 150 тонн. При этом для увеличения грузоподъёмности его планировали снабдить твердотопливными ускорителями от шаттлов.

Однако ситуация вновь поменялась: президент Барак Обама, заступивший на пост в январе 2009 года, на заре мирового экономического кризиса, приказал проверить, есть ли возможность сократить расходы на «Созвездие». Комиссия экспертов установила, что, наоборот, без резкого увеличения финансирования космические планы не удастся реализовать в ближайшем будущем. В результате президент закрыл «Созвездие», хотя и с уступками: вместо полётов с высадкой на Луну приоритетом стали исследования астероидов, периодически сближающихся с Землёй, а вместо «Ареса-5» NASA начало разрабатывать проект сверхтяжёлой ракеты SLS (Space Launch System) грузоподъёмностью от 70 до 130 тонн.

В дальнейшем уже по инициативе президента Дональда Трампа была утверждена программа «Артемида» (Artemis), в которой SLS отведена ключевая роль — доставка на селеноцентрическую орбиту модулей обитаемой станции «Лунные врата» (Lunar Gateway) и космического корабля «Орион» (Orion). В ноябре 2022 года состоялись испытания ракеты в рамках миссии «Артемида-1»: SLS вывела на отлётную траекторию к Луне беспилотный вариант корабля, а 11 декабря тот благополучно вернулся на Землю.

Сейчас NASA использует самую простую модификацию ракеты — SLS Block 1 со стартовой массой 2610 тонн, способную поднять на орбиту 95 тонн. В перспективе её заменит SLS Block 2 грузоподъёмностью до 130 тонн, то есть фактически NASA получит носитель класса «Сатурн-5». Двигатели RS-25 основной ступени и RL-10 верхней ступени работают на кислородно-водородной смеси. Дополнительную тягу дают твердотопливные ускорители, унаследованные от шаттлов, но этих ускорителей осталось только на восемь полётов SLS, так что сейчас специалисты проектируют более совершенный вариант.

Похожую программу освоения дальнего космоса развивали и в Советском Союзе. С середины 1970-х в качестве ответа Space Shuttle советские инженеры создавали многоразовый крылатый корабль «Буран», однако, в отличие от американского аналога, он не взлетал самостоятельно: его выводила сверхтяжёлая двухступенчатая ракета-носитель «Энергия», проектированием которой руководил знаменитый конструктор и один из пионеров ракетостроения Валентин Глушко. В качестве горючего в ней тоже использовался водород, а её грузоподъёмность составляла 100–105 тонн при собственной массе 2400 тонн. Как известно, «Энергия» стартовала дважды: 15 мая 1987 года она успешно доставила на орбиту военный комплекс «Полюс» («Скиф-ДМ»), а 15 ноября 1988 года — беспилотный вариант «Бурана».

Ракета-носитель «Энергия» имела пакетную схему, то есть блоки первой ступени располагались вокруг центрального блока второй ступени. Такая компоновка позволяла сколь угодно менять суммарную тягу, убирая или добавляя блоки, поэтому на основе «Энергии» планировали создать целую линейку ракет с грузоподъёмностью от 10 до 200 тонн. Например, в качестве перспективного носителя рассматривалась ракета «Вулкан», которая могла бы выводить грузы массой 170–200 тонн. Такой монстр позволил бы реализовать прорывные планы: построить обитаемую базу на Луне, отправить большие автоматические станции к Марсу и Юпитеру. Изучали также полностью многоразовый вариант «Энергии» — «Ураган»: его блоки после исчерпания топлива должны были планировать и мягко садиться на аэродром.

Однако для того, чтобы реализовать все эти проекты, нужно было кратно увеличить финансирование, а Советский Союз и позднее Россия в условиях экономического кризиса не могли пойти на подобные расходы. Программа развития системы «Энергия — Буран» была приостановлена, а затем полностью свёрнута.

Итак, уже летавшие сверхтяжёлые ракеты в истории космонавтики можно пересчитать по пальцам: «Сатурн-5», Н-1, «Энергия», SLS. При этом спрос на них сохраняется, ведь только они могут проложить человечеству дорогу в дальний космос и удовлетворить растущий интерес людей к тому, чтобы расширять своё присутствие вне Земли.

Эту проблему прекрасно понимает знаменитый миллиардер-визионер Илон Маск. Его компания SpaceX последовательно прошла путь от лёгкой двухступенчатой ракеты Falcon 1 с грузоподъёмностью 420 килограммов до ракеты среднего класса Falcon Heavy, способной доставить на орбиту до 64 тонн. Но это был лишь первый шаг к осуществлению главного замысла — строительства колонии на Марсе.

Маск сообщил о своей инициативе в сентябре 2016 года, выступая на 67-м конгрессе Международной федерации астронавтики. Там он представил среди прочего Межпланетную транспортную систему (Interplanetary Transport System, ITS), которая представляла собой огромную многоразовую ракету, снабжённую кислородно-метановыми двигателями Raptor. Эта ракета была способна вывести на орбиту корабль вместимостью 200 человек. Позднее появилась «урезанная» версия ITS, получившая обозначение BFR (Big Falcon Rocket): у неё был вдвое меньший стартовый вес (4400 тонн), а грузоподъёмность оценивалась в 150 тонн в многоразовом и в 250 тонн в одноразовом варианте. При этом Маск обещал, что уже в 2022 году отправит к Марсу две грузовых BFR с оборудованием и материалами для колонии. Но, как мы видим, обещания он не выполнил.

С тех пор многое изменилось. Сегодня BFR называется Starship и выглядит куда скромнее своих проектных предшественников. Но всё равно ракета поражает воображение: при высоте 120 метров и стартовой массе 5000 тонн она может стать самым большим и мощным ракетно-космическим комплексом в истории. Комплекс состоит из ракетной ступени Super Heavy, снабжённой 33 двигателями Raptor, и собственно космического корабля Starship с тремя двигателями Raptor и тремя Raptor Vacuum, рассчитанными на работу в пустоте. Внутренний объём отсека полезной нагрузки огромен — 1000 м3, что превышает герметичный объём Международной космической станции. Корабль покрыт теплозащитными плитками и закрылками для осуществления управляемого полёта сквозь атмосферу, ведь предполагается, что когда-нибудь Starship будет садиться на Марс, взлетать с него и возвращаться на Землю. В грузовом варианте корабль снабдят специальным люком, через который планируется отправлять в свободный полёт спутники или даже беспилотные межпланетные аппараты.

Цель создания транспортной системы — это, как и раньше, наладить поточное производство, чтобы снизить себестоимость одного запуска до 1 миллиона долларов (или около 10 долларов за килограмм полезной нагрузки), что, конечно, станет революцией в освоении космоса.

В ходе первого запуска прототипа Starship, получившего обозначение S24/B7 (Ship 24 / Booster 7), корабль должен был облететь вокруг Земли и, вернувшись в атмосферу, приводниться в Тихом океане недалеко от Гавайев; при этом первая ступень совершила бы управляемую посадку в Мексиканском заливе примерно в 30 километрах от побережья Техаса через 8 минут после старта. Из-за технических проблем запуск неоднократно переносили, но он всё-таки состоялся 20 апреля 2023 года. Хотя при взлёте отказали пять двигателей, корабль всё-таки сумел преодолеть скорость звука и подняться до высоты 39 километров. При этом он не смог отделиться от ракеты, потерял управляемость и вошёл в штопор; в результате автономная система прекращения полёта уничтожила его. Кроме того, сильные повреждения получила стартовая площадка.