Регулярное возвращение первой ступени ракеты Falcon 9 уже стало обыденным явлением в практике запусков, осуществляемых компанией SpaceX, однако многоразовое использование – это лишь один из аспектов технологических инноваций этой организации. Существуют и другие, менее броские технические усовершенствования, связанные с разделением ступеней ракеты, управлением двигателями, повторным применением головного обтекателя и даже определением момента запуска двигателей второй ступени.

Первая ступень Falcon 9 совершает посадку, в то время как вторая продолжает свой путь.

Примерно через два с половиной минуты полёта первая ступень ракеты Falcon 9 прекращает работу девяти двигателей Merlin и отделяется от основной конструкции. Вторая ступень продолжает ускорение полезной нагрузки, а первая самостоятельно осуществляет маневры для возвращения на Землю.

Подобное уже демонстрировалось во время первой успешной посадки ракеты Falcon 9 на сушу, которая состоялась 21 декабря 2015 года. В то время как первая ступень совершала маневр возвращения во Флориду, вторая продолжала вывод на орбиту одиннадцати спутников Orbcomm. Представители NASA подчеркивали, что в этот момент обе части ракеты одновременно выполняли две различные и самостоятельные задачи.

Для осуществления возвращения к Земле ступень использует собственные двигательные установки, решётчатые рули и систему из четырёх посадочных опор. В зависимости от энергетических параметров конкретной миссии, она может приземлиться в районе стартовой площадки или на автоматизированную морскую платформу.

SpaceX практикует повторное использование даже створчатой головной части обтекателя.

Головной обтекатель предназначен для защиты спутников от воздействия аэродинамического давления и нагрева во время прохождения через плотные слои атмосферы. По мере того как атмосфера становится менее плотной, две его части отделяются от ракеты-носителя.

Ранее подобные компоненты обычно рассматривались как не подлежащие повторному использованию. Компания SpaceX начала использовать восстановленные створки обтекателей для новых запусков в конце 2019 года.

В соответствии с документацией Falcon 2025 года, к февралю 2025 года ранее применённые обтекатели были задействованы в общей сложности в 307 запусках. На указанную дату первые ступени ракеты Falcon выполнили свыше 384 повторных миссий.

Следовательно, принцип многоразового использования распространяется не только на первую ступень, представляющую собой наиболее значительный и дорогостоящий компонент, но и на крупные элементы, которые ракета отбрасывает в процессе выведения полезной нагрузки.

Данная ступень, использовавшаяся для отправки людей в космос, впоследствии была вновь применена для полёта.

30 мая 2020 года первая ступень Falcon 9 осуществила вывод на орбиту космического корабля Crew Dragon с астронавтами NASA Робертом Бенкеном и Дугласом Хёрли в рамках миссии Demo-2, которая стала первым пилотируемым полётом Crew Dragon.

Тем не менее, после завершения указанной миссии ступень не была утилизирована. Данный ракетный блок впоследствии был задействован для выведения на орбиту южнокорейского спутника ANASIS-II и группы аппаратов Starlink, а в декабре 2020 года совершил свой четвёртый старт с грузовым кораблем Dragon в рамках программы CRS-21. Агентство NASA прямо относило Demo-2 к числу трёх предыдущих полётов данной ступени.

В настоящее время многократное использование ракетных ступеней стало стандартной практикой в эксплуатации Falcon. Повторно применяются и ступени, изначально предназначенные для пилотируемых миссий: так, например, в 2022 году Crew-4 стала первой пилотируемой миссией NASA, осуществлённой с использованием ступени, уже совершившей четыре полёта.

Ступени Falcon раздвигает сжатый газ

Разделение ступеней представляет собой один из важнейших этапов запуска ракеты. После остановки работы первой ступени две массивные конструкции должны оперативно и надёжно отделиться друг от друга, чтобы обеспечить безопасный запуск двигателей второй ступени.

В Falcon 9 для осуществления этого процесса применяется пневматическая система. Высокое давление гелия приводит в действие механические фиксаторы, после чего четыре пневматических толкателя физически раздвигают ступени. Подобный принцип используется также при раскрытии двух секций головного обтекателя.

SpaceX отмечает два ключевых достоинства предложенной конструкции. Во-первых, она обеспечивает умеренную ударную нагрузку при отделении ступеней. Во-вторых, это позволяет проводить предварительное функциональное тестирование компонентов системы разделения перед отправкой в космос. Кроме того, пневматическая схема минимизирует образование обломков во время процесса разделения по сравнению с некоторыми пиротехническими методами.

В процессе полёта Starship активирует свои двигатели до завершения отделения ступеней.

Starship применяет инновационную технологию – горячее разделение ступеней. В большинстве случаев двигатели ускорителя Super Heavy прекращают работу, однако несколько центральных продолжают функционировать, в то время как двигатели верхней ступени Starship запускаются ещё на этапе сближения аппаратов.

Выхлопные газы двигателя Raptor верхней ступени способствуют отделению Starship от ускорителя. Впервые успешная демонстрация горячего разделения была проведена SpaceX во время второго испытательного полёта системы в ноябре 2023 года.

В версии Starship третьего поколения, чей первый полет запланирован на май 2026 года, произошли значительные изменения в конструкции. Вместо отдельного одноразового адаптера для защиты при разделении ступеней была внедрена интегрированная система горячего отделения. Верхняя часть топливного бака Super Heavy теперь непосредственно контактирует с выхлопом двигателей Starship и защищена как давлением внутри самого бака, так и дополнительным стальным экраном.

Данное техническое решение призвано минимизировать потери скорости в момент перехода от работы первой ступени к работе второй, однако оно предъявляет повышенные требования к термостойкости используемых материалов.

Super Heavy не оснащен посадочными опорами – он предназначен для захвата специальной башней.

В то время как Falcon 9 осуществляет посадку на собственные четыре посадочные опоры, Super Heavy от них отказался.

По завершении миссии ускоритель Starship возвращается к стартовой башне, где его предназначено перехватить две мощные подвижные конструкции. Отказ от использования тяжёлых посадочных опор при посадке на землю позволяет исключить их транспортировку в космос вместе с каждой ступенью ракеты.

Впервые SpaceX осуществила захват Super Heavy стартовой башней во время пятого тестового запуска Starship, который состоялся в октябре 2024 года. Значительным достижением стало и то, что ускоритель седьмого полёта был успешно пойман и подготовлен к повторному использованию.

В мае 2025 года тот же ускоритель вновь был задействован в девятом испытательном запуске Starship, став первым Super Heavy, который был повторно использован. Во время второго запуска попытки перехвата башней не предпринимались: SpaceX применила ускоритель для проведения других экспериментальных процедур возвращения.

Данный подход принципиально отличается от архитектуры Falcon 9. Главная задача, которую ставит перед собой SpaceX, заключается не только в восстановлении отдельных ступеней ракеты, но и в быстром повторном использовании обеих частей системы.

В ракете Falcon 9 топливо играет дополнительную роль

Коррекция траектории полета осуществляется путем изменения направления тяги двигателей. В случае первой ступени Falcon это реализуется посредством поворота двигателей Merlin.

Согласно технической документации компании SpaceX, реализовано нестандартное решение: гидравлическая система управления вектором тяги первой ступени использует жидкий керосин RP-1, который является частью топливной системы ракеты, вместо отдельного резервуара с гидравлическим маслом.

В результате этого один и тот же компонент выполняет двойную задачу. Сначала керосин служит рабочей средой в системе управления двигателями, а впоследствии – топливом для двигателей Merlin.

Согласно информации, предоставленной SpaceX, отказ от самостоятельного бака гидравлической жидкости и соответствующей наддувной системы позволяет сократить число возможных сбоев. Это также исключает вероятность исчерпания запаса гидравлической жидкости, предназначенного для работы системы управления.

Каждое из этих нововведений само по себе может не производить такого впечатления, как вертикальная посадка ракеты. Однако в совокупности они демонстрируют более общую инженерную стратегию SpaceX: минимизировать использование одноразовых компонентов, исключать отдельные подсистемы, если их функции могут быть выполнены уже существующими системами, и переносить часть оборудования с ракеты на наземные объекты инфраструктуры.

Ракета Falcon 9 воплотила в жизнь концепцию регулярного повторного использования ступеней и обтекателей. Starship расширяет эту практику за счёт горячего разделения, возвращения ускорителя непосредственно к стартовой башне и стремления к максимальному повторному использованию компонентов ракетной системы.