Двигатели с метановым топливом и особая система для возвращения стартовых ступеней на Землю. Если верить главе Роскосмоса Дмитрию Рогозину, космическая отрасль активно занимается разработкой двух этих новых для отечественной космонавтики концепций. В чем их преимущество и почему данные технологии критически важны для России?

Роскосмос отметился сразу целым рядом заявлений о том, каким образом будет происходить переход к новому поколению российских космических ракет. И речь не только о судьбе ракеты-носителя "Ангара", о чем газета ВЗГЛЯД уже писала.

Вначале руководитель корпорации Дмитрий Рогозин заявил, что Роскосмосу под силу создать многоразовую ракету, однако не такую, как у компании SpaceX Илона Маска. Судя по всему, речь идёт об использовании разработки ускорителя "Крыло-СВ", который должен производить посадку на космодром "по-самолётному". Ещё одной идеей Рогозина стал перевод новых российских ракет на метановое топливо.

Так что же происходит с новыми российскими разработками ракет-носителей и станут ли они действительно многоразовыми и эффективными?

Гептил и амил: опасное наследие

Одной из самых неприятных проблем старой ракеты-носителя "Протон" ещё к началу 2000 годов стало его топливо, включающее в себя два токсичных компонента – несимметричный диметилгидразин (НДМГ, или гептил) и азотный тетраоксид (амил). Гептил является высокотоксичным канцерогенным веществом, требующим предельно осторожного обращения. Даже штатное падение отработавших ступеней требует проведения дорогостоящих мероприятий по очистке территории. Поражённая им растительность приобретает вид "варёной" зелени и сама становится токсичной. Окислитель из баков "Протонов" – амил – тоже токсичен.

Инциденты с "Протонами" потенциально опасны: например, в 2007 году ракета "Протон-М" упала всего лишь в 40 км от казахского города Жезказган. После жёстких переговоров с казахстанской стороной Россия согласилась заплатить 2,5 млн долларов США за очистку территории падения от гептила. При этом Астана запрашивала 60,7 млн долларов США и, что гораздо важнее, требовала сокращения общего числа пусков "Протонов", что могло привести к нарушению существующих коммерческих соглашений и даже большим потерям. Не говоря уже о том, что падение "Протона" чуть ближе к Жезказгану стало бы уже не просто аварией, а катастрофой с многочисленными пострадавшими.

Подобная ситуация, кстати, сложилась и со сверхлёгкой ракетой, на замену которой также была запланирована "Ангара" (в модификации "Ангары-1.1"), которая должна была заменить устаревшую ракету-носитель "Космос-3М". Старый "Космос-3М", использовавший тот же токсичный гептил и амил, уже снят с производства – последний его запуск произошёл ещё в 2013 году. На сегодняшний день у России вообще нет ракеты-носителя сверхлёгкого класса, а небольшие спутники приходится запускать "пакетами" на "Союзах", что бывает не всегда удобно.

Ещё одним системным недостатком пары гептил–амил являлся относительно низкий удельный импульс ракетных двигателей, которые их используют – лишь 288-330 секунд. Даже переход на пару керосин–кислород сразу же поднимал удельный импульс до значения в 350 секунд, а использование жидкого водорода в качестве горючего и жидкого кислорода как окислителя позволяло достичь удельного импульса в 450 секунд. А это тут же отражалось на весовом совершенстве ракеты и позволяло добиться лучших результатов по массе полезной нагрузки.

Изначальная концепция "Ангары" подразумевала использование во всех универсальных ракетных модулях (УРМ) топливной пары кислород–керосин, что позволяло уйти от токсичного гептила и амила. Впоследствии для тяжёлой "Ангары-А5" всё-таки решили сделать и вариант с третьей ступенью на паре водород–кислород – что тут же подняло полезную нагрузку с 24,5 до 37,5 тонны.

Однако за прошедшие 25 лет с момента первого задания на разработку "Ангары" инженерная мысль не стояла на месте – и вместо пары керосин–кислород появилось сразу несколько интересных альтернатив. Главной из них стала пара метан–кислород, которая оказалась посередине между керосином и водородом. Метан позволяет при использовании совместно с кислородом получить удельный импульс около 380 секунд.

"Законодателем мод" в части создания метановых двигателей сегодня выступает компания SpaceX Илона Маска, которая в будущем планирует полностью перейти на это топливо в своих запусках. Похожие идеи, судя по всему, вынашивают и в Роскосмосе. При этом свои наработки по метановым двигателям в России уже тоже есть. В АО "Конструкторское бюро химавтоматики" (КБХА) ещё с 1997 года разрабатывается кислородно-метановый ракетный двигатель РД-0162.

За 2019 год глава Роскосмоса Дмитрий Рогозин сделал целый ряд обязывающих заявлений о судьбе РД-0162. В апреле он заявил, что госкорпорация не может вести разработку перспективных метановых двигателей для многоразовых ракет по причине того, что все свободные деньги Роскосмоса сегодня направляются на погашение долгов Центра им. Хруничева. В случае же появления свободных средств метановый двигатель можно было бы сделать за два-три года.

Если "метановый прорыв" будет реализован, семейство ракет "Ангара" сможет получить самые современные двигатели, которые в значительной мере поднимут его эффективность.

Возвращаемые ступени

Интересно, что в конструкции "Ангары" ещё в 1990 годы был заложен целый ряд прорывных идей – в том числе и те, которые впоследствии успешно реализовала компания SpaceX в последние годы. Поскольку "Ангара" проектировалась как универсальная ракета, её основой должен был стать подход "конструктора Лего", когда ракета собиралась под конкретную задачу из стандартных и легко модифицируемых ракетных блоков – УРМов.

Одной из таких модификаций стала концепция возвращаемых стартовых ступеней-ускорителей. Такой ускоритель, а фактически крылатая ракета, получившая наименование "Байкал", демонстрировалась на авиационном салоне в французском Ле-Бурже ещё в 2001 году. Несмотря на то, что тогда ускоритель "Байкал" был представлен лишь в виде макета, его проект был проработан во всех деталях.

Проект "Крыло-СВ" является современным развитием "Байкала" и частично использует его разработки. Фонд перспективных исследований (ФПИ) ещё в 2018 году сообщил, что полнофункциональный дозвуковой демонстратор возвращаемой ступени ракеты-носителя "Крыло-СВ" будет создан в России в течение четырех лет. 29 мая 2019 года в ФПИ прошла защита проекта, который получил положительную оценку. "Крыло-СВ" создаётся рабочей группой, где головным предприятием выступает АО "ЭМЗ имени В.М. Мясищева".

Летные испытания "Крыла-СВ" могут начаться уже в следующем году и будут начаты с отработки горизонтального полёта – ракета будет стартовать не со стартового стола, а с самолёта-носителя. В таких запусках её полёт будет дозвуковым, однако в реальности ракета размером шесть метров в длину и 0,8 метра в диаметре будет перемещаться на обратном пути при гиперзвуковых скоростях – до 6 чисел Маха.

Такие размеры "Крыла-СВ" делают её ускорителем для ракеты сверхлёгкого класса – для сравнения: универсальный "Байкал", который планировался в качестве замены УРМ ракеты "Ангара" имел гораздо более солидные размеры – длину 28,5 метра и диаметр 2,9 метра. Поэтому пока что "Крыло-СВ" может обеспечить многоразовое использование каких-то вариаций "Ангары-1.1", а вот для средней "Ангары-АЗ" и тяжёлой "Ангары-А5" потребуется создание своего крылатого возвращаемого блока, гораздо более серьёзного размера и веса.

Поэтому, судя по всему, заявление Дмитрия Рогозина в части возвращаемых ступеней новых российских ракет-носителей надо тоже трактовать с изрядной долей скептицизма. Да, создать такие возвращаемые ступени России вполне под силу – только речь, как и в случае метанового двигателя, идёт о существующих заделах, которые должны пройти долгий путь до готового и испытанного изделия.

Как видится, сегодня семейство "Ангара" попало в очередную турбулентность. Конструкторская и инженерная мысль уже ушли далеко вперёд даже от разработок начала 1990 годов, в силу чего "Ангара" уже оказалась в роли догоняющего. Однако в самой идее универсальной модульной ракеты есть немало сильных сторон, реализация которых может обеспечить России возврат в технологическую элиту современной космонавтики.