Запуск в космос – всегда зрелищное событие. Громкий старт, мощный поток пламени, постепенно затухающий раскат грома. Первая ступень выполнила свою функцию и отделилась, после чего к работе приступила следующая, и так, пока не была достигнута орбитальная скорость на заданной высоте. Пуск ракеты завершается примерно за восемь–десять минут. Однако это не является окончанием процесса. В дело включается специальная ступень, предназначенная для работы в космосе. Именно она увеличивает орбиту, инициирует межпланетное путешествие и выполняет множество других задач. О ее сложной работе и значительных возможностях – в нашем материале.
Чисто космическая конструкция
Космическая ступень не всегда имеет форму привычных цилиндрических разгонных ступеней, хотя и такой вариант встречается. Несмотря на то, что ее задача – разгон полезной нагрузки, ее функционирование имеет свои особенности и существенно расширяет возможности ракеты и запуска. Более того, у нее не просто обозначение в виде номера ступени (первая, вторая или третья). Вместо этого используется описательное название: разгонный блок, космическая ступень, космический буксир, орбитальный буксир, ступень разведения.
Космическая ступень представляет собой компактный маневровый аппарат, который перемещает грузы по орбитам, направляя их в заданные точки пространства и обеспечивая требуемую скорость. Его наименования могут различаться. Разгонные блоки иногда называют космическими буксирами. Семантическая разница между этими терминами минимальна, поскольку функция космического буксира заключается в разгоне или торможении груза (то есть в разгоне в направлении, противоположном текущей скорости). Принцип работы всех разгонных аппаратов заключается в изменении скорости полезной нагрузки.
В изменении скоростей — вся баллистика.
Не существует четкого, строгого, научного или конструктивного определения космической ступени, что обусловлено широким разнообразием этих ступеней и принципами их работы. С одной стороны, космическая ступень функционирует в космосе, то есть на высотах, превышающих линию Кармана, которая формально установлена на отметке 100 км и обозначает нижнюю границу космоса (хотя, строго говоря, это не линия, а поверхность). Однако выше 100 км регулярно работают вторые и третьи разгонные ступени ракет-носителей. Поэтому для определения разгонного блока недостаточно указания высоты, превышающей 100 км. Более точным было бы определение его с точки зрения баллистики: разгонный блок начинает свою работу, находясь в состоянии, которое было достигнуто ранее посредством орбитального движения.
При этом существуют гибридные конструкции, объединяющие верхнюю ступень ракеты и разгонный блок, в качестве примера можно привести знаменитого американского космического долгожителя «Centaur», использующего паровую тягу. Он функционирует на топливной паре, состоящей из жидкого кислорода и жидкого водорода, продуктом сгорания которых является водяной пар. Именно этот пар вытекает в раскаленном виде из реактивного сопла двигателя, обеспечивая тягу – фактически паровую тягу, что делает «Centaur» настоящим космическим паровозом. Этот летательный аппарат сочетает в себе функции разгонного блока и верхней ступени для множества ракет-носителей, таких как «Атлас». Он доставляет полезную нагрузку на низкую опорную орбиту, подобно обычной верхней ступени. А затем, посредством повторного включения двигателя (спустя определенный интервал времени), переводит полезную нагрузку с опорной орбиты на переходную или целевую, включая гиперболические траектории, необходимые для выхода за пределы земной орбиты. Эту задачу «Centaur» выполняет, подобно классическому межорбитальному буксиру.
Иногда используются специализированные разгонные блоки, которые также называют боевыми ступенями разведения. Эти устройства функционируют в космическом пространстве, но не выводят груз на орбиту. Их основная задача, как и у обычных разгонных блоков, заключается в изменении траектории полезной нагрузки и переводе её на заданную. Поэтому мы не будем заострять внимание на тонкостях различий в терминологии. Независимо от названия, это всегда специальный космический аппарат, предназначенный для ускорения груза в космосе.
Разгон часто производится за несколько включений двигателя, разделенных свободным баллистическим полетом; логика их выстраивания — энергетическая. Включения переводят полезную нагрузку с одной текущей орбиты на другую, словно маневровый тепловоз переводит вагон с одного пути на другой. Аналогия тем ближе, что слово «орбита», введенное в космический оборот в 1609 году самим Иоганном Кеплером, и означает на латыни «путь», «дорожка», «колея». Дорога в гравитационном поле. Итогом становится вывод полезной нагрузки на ее заданную орбиту — целевую для разгонного блока. Вышел на эту орбиту с заданной точностью — молодец, попал в цель, полетное задание выполнено.
Работа космического буксира
Основная функция буксира заключается в изменении вектора скорости – как своей, так и перевозимого груза. Это подразумевает модификацию величины и/или направления скорости. В результате происходят изменения высоты орбиты, ее формы, наклона к плоскости экватора Земли, эксцентриситета и ориентации в пространстве относительно звезд. Приращение скорости позволяет преобразовать тип орбиты – например, из эллиптической околоземной в гиперболическую, характеризующуюся уходом от Земли.
Обычно ракета выводит груз на низкую орбиту высотой 185-200 км, лишь бы вытащить его за атмосферу и сообщить ему орбитальную скорость на этой высоте — скорость, при которой полезная нагрузка не падает оттуда. Но космических аппаратов множество, и соответственно у них множество разных полетных заданий. То есть разных рабочих орбит, на которых они должны работать, и на этих орбитах наилучшим образом выполнять свою задачу. Околоземные орбиты описываются верхней (апогей) и нижней (перигей) точками, вытянутостью (эксцентриситетом), наклонением своей плоскости (к экваториальной плоскости Земли). А также направлением продольной (большой) оси орбиты относительно звезд, и другими параметрами движения, или кеплеровыми элементами орбиты.
Для некоторых спутников потребуется повышение орбиты до высоких околоземных. Другие же должны будут преодолеть гравитационное поле Земли и перейти в межпланетное пространство, двигаясь по гиперболической траектории, которая позволит им покинуть зону земного тяготения.
Для начала межпланетного перелета необходимо точно рассчитать траекторию, определив конечную скорость (гиперболический избыток скорости, который остается после преодоления гравитации Земли) и ее направление в пространстве. Именно с этой скоростью межпланетная станция начнет свой первый этап длительного путешествия.
Космические аппараты достигают рабочих орбит, становясь одновременно целевыми орбитами для маневровых локомотивов – космических ступеней. Эти локомотивы, соединенные с полезной нагрузкой и движущиеся вместе с ней, корректируют свою скорость для достижения целевой орбиты. Для этого переход может осуществляться не за один импульс двигателя маневрового локомотива, а за несколько отдельных включений, распределенных по орбите и разделенных временными интервалами. Это делается для повышения эффективности включений, которые выполняются в точках апогея и перигея, или в точках узлов, где орбита пересекает плоскость экватора.
Как увеличить высоту круговой орбиты? Переход с высоты 200 км до 20 000 км, или, иными словами, увеличение высоты груженой ступени в сто раз с низкой опорной орбиты на рабочую орбиту спутника GPS, осуществляется в два этапа. На первом этапе космическая ступень, находящаяся на орбите 200 км, активирует двигатель, создавая разгонный импульс. Двигатель увеличивает скорость ступени в направлении ее движения. Ориентация двигателя обеспечивает направление реактивной струи в противоположную движению сторону, что приводит к росту орбитальной скорости. Полученный импульс и приращение скорости вызывают подъем орбиты на противоположной стороне Земли: точка, диаметрально противоположная текущей, начинает удаляться от планеты, формируя апогей и увеличивая высоту. Продолжая работу двигателя разгонного блока, импульс и скорость продолжают расти, и апогей на другой стороне орбиты поднимается все выше. В конечном итоге он достигает требуемой высоты — 20 000 км (для орбиты GPS — 20180 км). После этого двигатель выключается, и первый этап завершен.
Разгонный блок, несущий полезную нагрузку, покинул низкую круговую орбиту и теперь свободно движется по новой эллиптической траектории, образованной работой двигателя и полученным импульсом скорости. Двигатель вывел блок к апогею, расположенному на высоте 20 000 км, где произошло замедление, после чего блок с разгоном начал спуск обратно к низкой круговой орбите, лишь слегка коснувшись ее (эта точка стала перигеем). Эта эллиптическая орбита является переходной к высокой круговой, на которую необходимо перейти на втором этапе.
Он практически идентичен первому этапу, но теперь выполняется на апогее. Разгонный блок вновь активирует главный двигатель, что приводит к увеличению скорости блока с грузом в попутном направлении. Это позволяет поднять перигей на противоположной стороне орбиты. Когда перигей достигает высоты апогея, составляющей 20 000 км, двигатель отключается. Таким образом, высота перигея и апогея выравнивается, они перестают быть верхней и нижней точками орбиты, а сама орбита преобразуется в окружность на высоте 20 000 км над Землей.
Для изменения орбиты применяется двухимпульсная схема, которая предполагает два включения главного двигателя разгонного блока. Интервал между этими включениями соответствует времени, необходимому для перемещения от перигея к апогею, или представляет собой кратное этому времени, если двигатель активируется не при первом достижении апогея. Аналогичная двухимпульсная схема используется для уменьшения высоты орбиты. В данном случае оба включения двигателя служат не для разгона, а для торможения космической ступени, при этом реактивная струя направляется вперед по направлению движения.
Часто нужно менять наклонение плоскости орбиты к экваториальной плоскости Земли. Например, вывести спутник с наклонений наших средних широт на геостационарную орбиту — то есть перевести в экваториальную плоскость и нулевое наклонение. У работы с наклонениями своя оптимальность: импульсы для изменения наклонения лучше делать в точках пересечения орбитой экваториальной плоскости. Эти точки орбиты называются узлами: восходящий (после которого аппарат уходит выше плоскости экватора) и нисходящий (после которого аппарат уходит ниже плоскости экватора). Причем экономичнее всего давать не один большой импульс в этих точках, а разделять его на несколько меньших включений при нескольких последовательных прохождениях узлов — это сэкономит топливо. Но увеличит число оборотов и время выведения груза на орбиту целевого наклонения.
Включениями главного двигателя и приданием импульсов корректируют и другие параметры орбиты. Поэтому двигательная установка разгонного блока должна обеспечивать несколько включений. А чтобы не растягивать время формирования целевой орбиты, количество импульсов уменьшают до оптимального. И в соответствии с ними возможные включения двигательной установки определяют в пять-восемь раз. Это позволяет выводить полезную нагрузку по выбранной многоимпульсной схеме, дающей экономию топлива, времени, и другие выигрыши.
Точность формируемого движения играет не менее важную роль, чем частота включений главного двигателя и количество топлива. Для достижения этой точности функционируют несколько систем: система измерения движения, система ориентации в пространстве буксира и груза, система управления работой основного двигателя, а также точный контроль его включения и выключения. Чем точнее буксир определит конечную орбиту, тем эффективнее спутник сможет выполнять свою задачу на ней. Это позволит либо увеличить срок службы спутника, либо снизить потребность в корректировке орбиты и, как следствие, экономию топлива. Буксир также способен поддерживать тепловой режим полезной нагрузки, например, избегая чрезмерного вращения. В этом случае различные участки аппаратуры будут попеременно подвергаться воздействию солнечного нагрева и охлаждению в тени, что позволит уменьшить общий нагрев от Солнца.
Разгонные блоки обычно используются для вывода аппаратов на геостационарную орбиту. Геостационарные орбиты располагаются на значительной высоте – на расстоянии, равном трём радиусам Земли от её поверхности, и характеризуются нулевым наклонением. Возможности космических буксиров часто оцениваются по массе полезной нагрузки, которую они способны доставить в такую точку.
Классические разгонные блоки
Особенности эксплуатации в космическом пространстве определяют конструкцию и внешний вид разгонных блоков. Космическая ступень обычно состоит из сферических и тороидальных топливных баков, которые могут комбинироваться различными способами: иногда несколько сфер объединяют в тор, а иногда один тор располагают под сферой. По мере расходования топлива часть баков, а также другие элементы ступени могут быть сброшены; таким образом, конструкция, имеющая сухую массу в три тонны, может потерять до тонны веса к моменту завершения работы.
Для работы используются различные типы топлива — как с криогенными компонентами, так и с высокой температурой кипения. Обычно используется один главный двигатель, который обладает меньшей тягой по сравнению с разгонными ступенями (обеспечивающими начальные тонны силы). Помимо этого, предусмотрена система ориентации, система стабилизации, система обеспечения запуска двигателя в условиях невесомости, система управления полетом и бортовая электросеть. Запас энергии аккумуляторов должен быть достаточным для поддержания ориентации (с использованием гиродинамических систем и силовых маховиков) на протяжении всего рабочего цикла разгонного блока, до момента отделения груза. Разгонные блоки не оснащаются солнечными панелями, поскольку время их работы в космосе ограничено и может протекать в затененной зоне Земли. Масса заправленных разгонных блоков колеблется от сотен килограмм до нескольких десятков тонн и более, что определяет их баллистические характеристики и массу доставляемого груза — полезной нагрузки. Для лучшего понимания диапазона параметров разгонных блоков стоит рассмотреть конкретные примеры.
Разгонный блок ДМ образует семейство для работы в составе тяжелых ракет. Прародитель, блок Д, был пятой ступенью сверхтяжелой лунной ракеты Н-1 для полета космонавтов на Луну. После закрытия лунной программы разгонные блоки Д были адаптированы для ракеты «Протон». Модернизации (добавившие букву «М») образовали целый ряд с добавочными индексами и различающимися параметрами – ДМ1, ДМ2, ДМ-2М, ДМ-03, ДМ4, ДМ5, , ДМ-SL, ДМ-SLБ (последние создавались для ракеты «Зенит-SL») . Конструктивно это большой сферический бак с жидким кислородом, ниже которого расположен большой «бублик» тороидального бака с керосином, а в «дырке от бублика» укреплен главный двигатель с тягой 8 тонн и количеством включений 5 раз. Масса конструкции — около трех с половиной тонн, при этом по мере работы в космосе отбрасываются ставшие ненужными части конструкции общей массой около тонны, облегчая аппарат. Масса топлива пятнадцать тонн, масса полезной нагрузки, выводимой на геостационарную орбиту — 2,5 тонны. Развитием блоков ДМ являются блоки «Персей» и ДМ-УЗ, предназначенные для тяжелой ракеты «Ангара-А5». В них использовано синтетическое горючее, улучшены характеристики двигателя и конструкции, а запас топлива увеличен до почти 19 тонн.
Разгонный блок «Фрегат» родился из межпланетной станции «Фобос» и представляет собой шесть сфер (две с горючим, две с окислителем, две с аппаратурой), слепленных вместе в шестиугольный тор, как шесть атомов углерода в бензольном кольце. Он тоже образует семейство вариантов, и предназначен для работы на ракетах полегче, в основном средних «Союзах», «Ангаре-3». Соответственно, и масса разгонных блоков поменьше — конструкция весит около тонны, тяга двигателя около двух тонн, масса высококипящих топливных компонентов (классические в космосе азотный тетраоксид — несимметричный диметилгидразин) составляет порядка 6-7 тонн. Время активного существования до 2 суток, количество включений до 7. На «Фрегатах» используют сбрасываемые топливные баки («Фрегат-М» и «Фрегат-МТ»), разрастающиеся до сбрасываемых блоков баков («Фрегат-СБ» и «Фрегат-СБУ», СБ означает сбрасываемый блок), что позволило увеличить запас топлива у последних «Фрегатов» до 10-12 тонн.
Разгонный блок «Бриз» существует в двух вариантах: для легких и тяжелых ракет. Время активного существования «Бризов» одни сутки, количество включений — до 8 раз. «Бриз-К» и «Бриз-КМ» используется на легких ракетах-носителях «Рокот» — конверсионных вариантах боевой баллистической ракеты «УР-100Н УТТХ». Конструкция массой 1,6 тонны заправляется почти 5 тоннами высококипящих топливных компонентов для работы маршевого двигателя с двухтонной тягой. «Бриз-М» большой, он предназначен для тяжелых ракет «Протон» и «Ангара». При той же тяге главного (маршевого) двигателя 2 тонны запас топлива составляет порядка 20 тонн, при этом разгонный блок может выводить на целевые орбиты тяжелые и крупногабаритные полезные нагрузки – до 3,7 тонн на геостационарную орбиту.
Ступень разведения, или боевая ступень
Космические ступени могут использоваться и в ракетах, не предназначенных для полетов в космос. Это происходит на суборбитальных траекториях, часть которых проходит под поверхностью Земли. Физические принципы движения по таким траекториям аналогичны космическим, однако скорость на них ниже, чем на орбитальных. Тем не менее, формирование траекторий для полезной нагрузки остается критически важной задачей и в данном случае. Речь идет о межконтинентальных баллистических ракетах, оснащенных боеголовками индивидуального наведения. Такая ракета может поражать сразу несколько целей, расположенных на значительном удалении. Цели, находящиеся в этом районе, разделены расстояниями в десятки или несколько сотен километров.
Чтобы боеголовка достигла каждой цели, необходимо провести через неё траекторию – этот процесс называется наведением. Наведение боеголовок на цели осуществляется последовательно. Серия последовательных наведений представляет собой разведение, которое выполняет специализированный космический аппарат – ступень разведения.
Точность разведения боеголовок напрямую влияет на эффективность поражения целей и, следовательно, на боевые характеристики ракеты. Именно поэтому эту ступень также называют боевой. Важно не путать ее с боевой частью – непосредственно с термоядерным зарядом, расположенным в боеголовке. Боевая ступень выполняет функцию доставки боеголовок, отделяя их от себя в процессе полета в космосе. В этом контексте она представляет собой боевую космическую ступень, родственную другим космическим ступеням.
Специфика разведения отличается от работы с космическими орбитами. Полет боевой ракеты недолгий и занимает от тридцати до пятидесяти минут, в зависимости от дальности целей. Чтобы за это небольшое полетное время боеголовки успели разойтись в пространстве по своим целям, разведение нужно проводить сразу после выключения двигателя последней разгонной степени. Тем более что по ракете может работать противоракетное оружие противника, и ему сложнее перехватить много уже разведенных отдельных боеголовок, чем одну ступень с неразведенным комом. Оперативность – отличительная черта разведения.
Еще одна отличительная особенность – использование двигателей небольшой мощности и высокая точность разведения. Боеголовки летят по траекториям, расположенным достаточно близко друг к другу и направленным в определенную географическую область падения. В связи с этим, для ступени разведения не требуется тяга в несколько тонн. С меньшей тягой легче точно рассчитывать импульс, который передается при отделении каждой траектории. Это позволяет более точно наводить боеголовки, что критически важно для боевой ракеты. Для повышения точности наведения боеголовок боевая ступень применяет сложные алгоритмы.
Межконтинентальная ракета Трайдент II D5 (Ракеты (UGM-133A Trident II D5), предназначенные для подводных лодок, относятся к числу наиболее передовых; при максимальной дальности в 11300 км точность попадания их боевых блоков составляет 120 м. Ступень разведения выполнена в виде плоского кольца, которое устанавливается на третью разгонный ступень, напоминая перстень на пальце. Боевые блоки опираются основаниями своих конусов на это кольцо, направляя свои наконечники в сторону третьей ступени. После остановки работы третьей ступени кольцо с боевыми блоками отделяется от нее и ориентируется в пространстве с использованием опорных звезд посредством астровизирования. Бортовая система управления полетом выявляет накопившиеся погрешности измерений и рассчитывает корректирующие значения для их устранения — это называется астрокоррекцией, после чего ступень немедленно переходит к этапу разведения.
Для контроля траектории движения ступень оснащена шестнадцатью реактивными соплами, которые получают газ от четырех пороховых газогенераторов, запускаемых последовательно. Четыре сопла размещены на стороне с боеголовками, еще четыре – на противоположной стороне кольца. Они обеспечивают движение ступени вперед и назад, а также позволяют ориентировать плоскость кольца в пространстве, определяя углы тангажа и рыскания. Восемь оставшихся сопел используются для поворота кольца в ту или иную сторону, что позволяет управлять креном. Сопла функционируют непрерывно, регулируя реактивную тягу путем изменения расхода газа, вплоть до полного отключения при необходимости.
Ступень, используя данные астрокоррекции, определяет траекторию первой боеголовки и занимает ее. Для этого кольцо ступени поворачивается, направляя боеголовки вперед, и с помощью четырех сопел доводит скорость до требуемого значения, рассчитанного для первой траектории. Далее ступень поворачивается на 90 градусов, ориентируя прикрепленный к ней пучок боеголовок вбок и вниз, в направлении Земли. Ступень освобождает специальные безынерционные замки, фиксирующие боеголовку; одновременно разрываются линии связи между боеголовкой и ступенью. Боеголовка оказывается отделенной и остается висеть поблизости, сохраняя заданную траекторию движения. С этого момента начинается самостоятельный полет боеголовки.
Необходимо отвести ступень от боеголовки, и этот процесс будет достаточно сложным. Отход не должен влиять на боеголовку, поскольку любое изменение в ее точно рассчитанной траектории приведет к увеличению погрешности попадания. В космосе (где и происходит разведение) изменение траектории возможно только за счет реактивной тяги, то есть за счет выброса сверхзвуковой струи из сопла. Ступень оснащена четырьмя соплами на стороне боеголовки, работающими в режиме малого газа, для снижения интенсивности тяги, и постепенно, подобно матери, отводящей колыбель со спящим ребенком, отходит назад от боеголовки, чтобы не нарушить ее точно рассчитанную траекторию.
В процессе отделения боеголовки, бортовая система управления ступени анализирует его положение относительно четырех сопел, обеспечивающих отдаление ступени в сторону. В случае, если какое-либо сопло оказывается слишком близко к боеголовке, система отключает его и увеличивает тягу оставшихся трех. Достигнув безопасного расстояния с использованием трех сопел, ступень вновь активирует четвертое. Благодаря такой схеме удается минимизировать влияние газовых потоков сопел на боеголовку во время разведения, что существенно повышает точность разведения и боевую эффективность ракеты.
Сразу после отделения от боеголовки ступень пересчитывает вторую траекторию и вновь разворачивается боеголовками вперед. Включаются четыре сопла на задней поверхности, и ступень энергично разгоняется до параметров следующей траектории, точно настраивая движение по ней – как собственное, так и очередной боеголовки. Затем ступень снова поворачивается морковками боеголовок вбок и вниз, к Земле, и сбрасывает боеголовку. Этот цикл повторяется столько раз, сколько боеголовок имеется – от 8 до 14, без перерывов и задержек. После отделения ступени от последней боеголовки разведение заканчивается.
Как демонстрирует этот пример, процесс создания ступени разведения представляет собой достаточно сложную задачу, которая может быть реализована с использованием различных алгоритмов и иметь различные конструктивные исполнения. Ступени разведения боевых ракет так же разнообразны по своим характеристикам, конструктивным особенностям и компоновке, как и космические разгонные блоки. Энергетические возможности боевых ступеней меньше, однако их работа отличается большей оперативностью и точностью. Несмотря на эти различия, они выполняют ту же самую основную функцию по сравнению с космическими ступенями – корректировку текущего движения и вывод груза на заданную траекторию.
Новые разработки, новые поколения
В современной космонавтике активно развивается частный сектор, и в скором времени он может стать определяющим фактором в создании космических аппаратов и направлении развития отрасли. Неслучайно появилось и широко используется понятие «Новый космос», которое, подобно зарождающейся Новой физике, предвещает значительные перемены. Новый космос подразумевает обеспечение широкого доступа в космическое пространство, что ранее было невозможно. Это проявится в значительном увеличении числа полезных нагрузок, превышающем сегодняшние показатели на несколько порядков.
Развитие технологий способствует миниатюризации космических аппаратов. В сочетании с увеличением числа участников космической отрасли это приводит к увеличению массы полезной нагрузки на один запуск. При этом спутники могут быть выведены на разные орбиты. Запуск большого количества спутников, иногда на различные орбиты и группы орбит, с использованием одной ракеты повышает потребность в эффективном процессе разведения и конструкции, обеспечивающей его выполнение. Это подтверждается двумя недавними примерами.
28 сентября 2020 года с космодрома Плесецк запустили ракету «Союз-2.1б» с разгонным блоком «Фрегат». Полезная нагрузка — блок аппаратов «Гонец-М» № 16 и кластер из 19 малых спутников от разных заказчиков. «Фрегат» поработал красиво и с размахом по наклонению. Сперва он вывел «Гонцов» на круговую орбиту с высотой 1 500 км и наклонением 82,5° (как видим, 7,5° осталось до полярной орбиты). Затем «Фрегат» за два часа понизил высоту орбиты на 925 км и увеличил ее наклонение до 97,67°, «провернув» на 7,67° за полюс. Таким образом, наклонение новой орбиты увеличилось более чем на 15°. На получившуюся солнечно-синхронную круговую орбиту с высотой 575 км «Фрегат» выпустил остальную мелкую нагрузку. Показав уникально большой диапазон наклонения орбит разных полезных нагрузок в одном пуске.
24 января 2021 г. c мыса Канаверал запущена ракета Falcon 9 с полетным заданием Transporter-1. По солнечно-синхронной орбите высотой 532 × 538 км и наклонением 97,5 полетел десяток спутников Starlink и 133 аппарата для 24 заказчиков, всего 143 спутника — это рекорд по количеству выводимых аппаратов в одном пуске. Для отделения столь многих спутников использовалась отделяемая орбитальная платформа-носитель SHEPRA-FX, разработанный Andrews Space, дочерней компанией Spaceflight Industries, и специализированная к применению на ракетах Falcon 9. Этот вариант платформы не имеет двигателя, и обеспечивает получение телеметрии и связь со всеми выведенными спутниками.
Следующая модификация «Шерпы», космическая ступень SHERPA-LTC, оснащена четырьмя жидкостными двигателями двойного действия для импульсного маневрирования. Это обеспечит возможность подъема и спуска орбитальных положений (например, для согласования орбит) полезной нагрузки. Запуск запланирован на вторую половину 2021 года. SHERPA-LTE, третий вариант, с ксеноновым электродвигателем на эффекте Холла, предназначен для выведения полезной нагрузки на геостационарные, высокоэллиптические, окололунные и гиперболические орбиты, а также для осуществления значительных изменений наклонения орбиты при необходимости. Первый успешный запуск состоялся 30 июня 2021 года на ракете Falcon-9 в рамках миссии Transporter-2 (вместе со вторым запуском SHERPA-FX), в ходе которой SHERPA-LTE успешно вывел на целевые орбиты 3 микроспутника и 8 кубсатов.
Rocket Lab, еще одна частная компания, специализирующаяся на запуске спутников с помощью ракет-носителей Electron, разрабатывает космическую ступень Photon. Специалисты называют ее «автобус» — так в англоязычной среде называют ступени разведения ракет. Она обеспечивает формирование необходимой орбиты, точное наведение полезной нагрузки, связь с ней, прием телеметрии и передачу данных на Землю, а также выполняет другие функции. «Фотон», являясь одной из самых компактных ступеней разведения, выпускается в двух версиях: низковысотная, предназначенная для работы на солнечно-синхронной круговой орбите высотой около 550 км, и межпланетная, обеспечивающая вывод на гиперболу покидания Земли до 40 кг полезной нагрузки, что эквивалентно массе группы кубсатов.
Среди проектов, связанных с разработкой космических ступеней, есть и весьма перспективные. Американская компания Momentus, основанная россиянами Михаилом Кокоричем и Львом Хасисом, занимается созданием «средств последней мили» — легкого космического буксира Vigoride. Масса заправленной конструкции составляет 300-500 кг, а полезная нагрузка – 200-700 кг. Однако выход компании на биржу посредством слияния со специализированной компанией, использующей схему СПАК, был приостановлен контролирующими органами. Причиной опасений стал предложенный новый тип плазменной двигательной установки – микроволновый электротермический двигатель, использующий воду в качестве топлива. Работа и выхлоп такого двигателя практически не обнаруживаются средствами контроля околоземного пространства. Это вызывало беспокойство у государственных органов, что привело к задержке одобрения сделки слияния и доступа к рыночному финансированию проекта. Хотя эти объяснения могут служить лишь прикрытием опасений, связанных с возможной утечкой технологии в Россию. По последним сообщениям, возникшие проблемы были решены, и запуск Vigoride на орбиту запланирован на 2022 год.
В то же время Momentus ведет разработку двух дополнительных моделей орбитального буксира, рассчитанных на более высокую массу. Ardoride с заправленной массой 1,5 Vigoride — 3 тонны и массой полезной нагрузки до 4 тонн, выводящий на широкий диапазон орбит, включая геостационарную и высокоэллиптические. И на порядок более тяжелый Fervoride с заправленной массой 15 – 30 тонн и массой полезной нагрузки до 20 тонн – маневровый гигант. Все три варианта создаются как многоразовые, с возможностью дозаправки на орбите и многократного использования одного буксира для все новых полезных нагрузок.
Какие пути развития определят будущее космической деятельности? Однозначно, среди них — создание космических буксиров. «Роскосмос» ведет разработку легкой ракеты «Волга» и крупного кислородно-водородного разгонного блока КВТК для выведения тяжелых ракет «Ангара-А5» на высокоэнергетические орбиты. Частные космические компании разрабатывают широкий спектр функционально-гибких космических ступеней, расширяющих возможности ракет-носителей и увеличивающих клиентскую базу за счет возможности запуска разнообразных полезных нагрузок и выполнения различных полетных задач.
Развитие космических ступеней обеспечит увеличение объема доставляемых грузов на орбиту и позволит подбирать для каждой полезной нагрузки оптимальную траекторию. Конструкция и функциональность космических буксиров претерпевают существенные изменения, охватывая широкий спектр решений: от тяжелых средств выведения, предназначенных для доставки крупных грузов на высокоэнергетические орбиты, до ступеней, предназначенных для гражданского использования и обеспечивающих точное отделение множества небольших полезных нагрузок на индивидуальные низкие орбиты.
Это существенно расширит круг компаний, использующих космическое пространство для размещения оборудования, и улучшит его производительность благодаря выбору наиболее подходящих траекторий. Присутствие в космосе станет более выгодным, а само оно – распространенным и привычным явлением. Кроме того, человечество будет все больше ориентироваться на освоение космического пространства, в том числе и посредством развития космических ступеней.