Кіріспе
Бір сатылы орбитаға (SSTO) ұшыру жүйесі тек қозғалтқыш пен сұйықтықтарды пайдалана отырып, танкілерді, қозғалтқыштарды немесе басқа да негізгі жабдықтарды жұмсамай, дененің бетінен орбитаға жетеді. Бұл термин көбінесе, бірақ міндетті емес, қайта пайдаланылатын көліктерге қатысты қолданылады. Бүгінгі күнге дейін Жерге ұшырылған SSTO ұшыру құралдары ұшырылмаған; Жерден орбиталық ұшырулар толық немесе ішінара бір реттік көп сатылы зымырандармен орындалды. SSTO тұжырымдамасының басты артықшылығы – бір реттік ұшыру жүйелеріне тән жабдықты ауыстыру қажеттігін жою. Дегенмен, қайта пайдаланылатын SSTO жүйелерін жобалау, әзірлеу, зерттеу және инжинирингке (DDR&E) байланысты қайталанбайтын шығындар, SSTO-ның күрделі техникалық қиындықтарына байланысты, қайта пайдаланылатын жүйелерге қарағанда әлдеқайда жоғары, егер осы техникалық мәселелерді шешу мүмкін болса. SSTO көліктеріне тұрақты техникалық қызмет көрсетудің де жоғары деңгейі қажет болуы мүмкін. Жерден химиялық отынмен жабдықталған ғарыш кемесін орбитаға шығару мүмкіншілігі шектеулі деп саналады. SSTO-ның Жерден ұшуын қиындататын басты факторлар: жоғары орбиталық жылдамдық; Жердің тартылысын жеңу қажеттілігі, әсіресе ұшудың алғашқы кезеңдерінде; және ұшудың алғашқы кезеңдеріндегі жылдамдықты шектейтін Жер атмосферасындағы ұшу, соқтығысу салдарынан қозғалтқыштың жұмысына әсер етеді. XXI ғасырдағы зымырандар саласындағы жетістіктер Жердің төменгі орбитасына немесе Халықаралық ғарыш станциясына бір килограмм пайдалы жүкті ұшыру құнының айтарлықтай төмендеуіне әкелді, бұл SSTO тұжырымдамасының басты артықшылығын азайтты. Орбитаға бір сатылы шығу тұжырымдарының ішінде Skylon бар, ол гибридтік SABRE циклын пайдаланды. Бұл қозғалтқыш атмосферада төмен биіктікте оттегін пайдалана алады, содан кейін жоғары биіктікте жабық циклді зымыран қозғалтқышына ауысқаннан кейін борттағы сұйық оттегін пайдаланады, сондай-ақ McDonnell Douglas DC X, Lockheed Martin X 33 және ғарыш шаттлын алмастыруға арналған VentureStar, және орбитаға шыға алатын тікұшақ Roton SSTO. Алайда, үміттерге қарамастан, олардың ешқайсысы жеткілікті тиімді қозғалтқыш жүйесін табу және дамуды тоқтату мәселелеріне байланысты орбитаға жақындамады. SSTO тұжырымдамаларының алғашқыларының бірі – Филип Боно ұсынған, Douglas Aircraft Company инженері болған, бір сатылы орбиталық ғарыш көлігі (OOST) болды. ROOST деп аталатын қайта пайдалануға болатын нұсқасы да ұсынылды. SSTO-ның тағы бір ерте тұжырымдамасы – 1960 жылдардың басында Крафт Арнольд Эрике ұсынған NEXUS деп аталатын қайта пайдалануға болатын ұшыру көлігі. Бұл 50 метрден астам диаметрі бар және Жер орбитасына 2000 тоннаға дейін көтеруге қабілетті, Күн жүйесіндегі Марс сияқты алыс жерлерге баруға арналған ең үлкен ғарыш кемелерінің бірі болды. 1963 жылғы North American Air Augmented VTOVL да осындай үлкен кеме болды, ол атмосферада жүріп жатқанда көп мөлшерде сұйық оттегінің қажеттілігін жою арқылы көліктің көтергіш массасын азайту үшін рамджеттерді қолданған болар еді. 1965 жылдан бастап Роберт Салкельд орбитаға ұшуға арналған қанатты ғарыш ұшағының түрлі бір сатылы тұжырымдамаларын зерттеді. Ол атмосферада көмірсутекті отын жағуды және ғарышқа көтерілгеннен кейін тиімділікті арттыру үшін сутекті отынға ауысатын көлікті ұсынды. Бононың ерте тұжырымдамаларының (1990 жылдарға дейін) ешқашан іске аспаған мысалдары: ROMBUS (қайта пайдалануға болатын орбиталық модуль, көтеруші және пайдалы шаттл), Филип Бононың тағы бір дизайны. Бұл техникалық тұрғыдан бір сатылы емес, өйткені ол алғашқы сутегі резервуарларының бір бөлігін тастады, бірақ ол оған өте жақын болды. Ithacus, ROMBUS тұжырымдамасы, ол әскерилер мен әскери жабдықтарды суборбитальды траектория арқылы басқа құрлықтарға тасымалдауға арналған. Pegasus, жолаушылар мен жүктерді кеңістікте қысқа уақыт ішінде ұзақ қашықтыққа тасымалдауға арналған басқа да бейімделген ROMBUS тұжырымдамасы. Douglas SASSTO, 1967 жылғы ұшыру көлігінің концепциясы. Hyperion, тағы бір Филип Боно тұжырымдамасы, ол көтерілу алдында жылдамдықты арттыру үшін, көтерілу керек отын мөлшерін үнемдеу үшін санақты қолданды. Star raker: 1979 жылы Rockwell International 100 тонналық жүк көтеруге арналған, көп циклды ауа тынысымен жұмыс істейтін рамджет/криогендік зымыран қозғалтқышы, көлденең ұшып-қонуға арналған бір сатылы орбиталық ғарыш ұшағы Star Raker тұжырымдамасын ұсынды, ол 300 теңіздік шақырымдық Жер орбитасына ауыр ғарышқа негіделген күн энергиясы спутниктерін ұшыруға арналған. Star raker-де 3 x LOX/LH2 зымыран қозғалтқыштары (SSME негізінде) + 10 x турборамджеттері болуы керек еді. Шамамен сол уақытта HOTOL алдын ала суытылған реактивті қозғалтқыш технологиясын қолдануға тырысты, бірақ ракета технологиясына қарағанда елеулі артықшылықтарды көрсетпеді.
A single stage to orbit (SSTO) vehicle reaches orbit from the surface of a body using only propellants and fluids and without expending tanks, engines, or other major hardware. The term usually, but not exclusively, refers to reusable vehicles. To date, no Earth launched SSTO launch vehicles have ever been flown; orbital launches from Earth have been performed by either fully or partially expendable multi stage rockets. The main projected advantage of the SSTO concept is elimination of the hardware replacement inherent in expendable launch systems. However, the non recurring costs associated with design, development, research and engineering (DDR&E) of reusable SSTO systems are much higher than expendable systems due to the substantial technical challenges of SSTO, assuming that those technical issues can in fact be solved. SSTO vehicles may also require a significantly higher degree of regular maintenance. It is considered to be marginally possible to launch a single stage to orbit chemically fueled spacecraft from Earth. The principal complicating factors for SSTO from Earth are: high orbital velocity of over ; the need to overcome Earth's gravity, especially in the early stages of flight; and flight within Earth's atmosphere, which limits speed in the early stages of flight due to drag, and influences engine performance. Advances in rocketry in the 21st century have resulted in a substantial fall in the cost to launch a kilogram of payload to either low Earth orbit or the International Space Station, reducing the main projected advantage of the SSTO concept. Notable single stage to orbit concepts include Skylon, which used the hybrid cycle SABRE engine that can use oxygen from the atmosphere when it is at low altitude, and then using onboard liquid oxygen after switching to the closed cycle rocket engine at high altitude, the McDonnell Douglas DC X, the Lockheed Martin X 33 and VentureStar which was intended to replace the Space Shuttle, and the Roton SSTO, which is a helicopter that can get to orbit. However, despite showing some promise, none of them have come close to achieving orbit yet due to problems with finding a sufficiently efficient propulsion system and discontinued development. One of the earliest SSTO concepts was the expendable One stage Orbital Space Truck (OOST) proposed by Philip Bono, an engineer for Douglas Aircraft Company. A reusable version named ROOST was also proposed. Another early SSTO concept was a reusable launch vehicle named NEXUS which was proposed by Krafft Arnold Ehricke in the early 1960s. It was one of the largest spacecraft ever conceptualized with a diameter of over 50 metres and the capability to lift up to 2000 short tons into Earth orbit, intended for missions to further out locations in the Solar System such as Mars. The North American Air Augmented VTOVL from 1963 was a similarly large craft which would have used ramjets to decrease the liftoff mass of the vehicle by removing the need for large amounts of liquid oxygen while traveling through the atmosphere. From 1965, Robert Salkeld investigated various single stage to orbit winged spaceplane concepts. He proposed a vehicle which would burn hydrocarbon fuel while in the atmosphere and then switch to hydrogen fuel for increasing efficiency once in space. Further examples of Bono's early concepts (prior to the 1990s) which were never constructed include:
ROMBUS (Reusable Orbital Module, Booster, and Utility Shuttle), another design from Philip Bono. This was not technically single stage since it dropped some of its initial hydrogen tanks, but it came very close. Ithacus, an adapted ROMBUS concept which was designed to carry soldiers and military equipment to other continents via a sub orbital trajectory. Pegasus, another adapted ROMBUS concept designed to carry passengers and payloads long distances in short amounts of time via space. Douglas SASSTO, a 1967 launch vehicle concept. Hyperion, yet another Philip Bono concept which used a sled to build up speed before liftoff to save on the amount of fuel which had to be lifted into the air. Star raker: In 1979 Rockwell International unveiled a concept for a 100 ton payload heavy lift multicycle airbreather ramjet/cryogenic rocket engine, horizontal takeoff/horizontal landing single stage to orbit spaceplane named Star Raker, designed to launch heavy Space based solar power satellites into a 300 nautical mile Earth orbit. Star raker would have had 3 x LOX/LH2 rocket engines (based on the SSME) + 10 x turboramjets. At around the same time, the HOTOL tried to use precooled jet engine technology, but failed to show significant advantages over rocket technology.
DC-X технологиясы
DC X, Delta Clipper Experimental дегеннің қысқаша атауы, ұсынылған SSTO үшін үштен бір бөлік масштабты тік ұшып көтерілу және қону демонстраторы болды. Бұл ең аз сандағы SSTO прототиптерінің бірі. DC X2 (жартылай масштабтағы прототип) және орбитаға бір сатылы енуге қабілетті толық масштабтағы DC Y сияқты бірнеше басқа прототиптер де жоспарланған. Екеуі де салынбады, бірақ 1995 жылы жоба NASA-ға берілді, олар үштен бір бөлік масштабта жаңартылған DC XA прототипін жасады. Бұл аппарат төрт қону платформасының тек үшеуі жұмыс істеген кезде құлап, аударылып, жарылды. Содан бері жоба тоқтатылды.
Ротон
1999 жылдан 2001 жылға дейін Rotary Rocket Ротон деп аталатын бір сатылы орбитаға шығатын ғарыш аппаратын (SSTO) құруға тырысты. Ол көптеген БАҚ-тың назарына ілікті және жұмыс істейтін, кішірейтілген прототипі аяқталды, бірақ конструкция көбінесе іс жүзінде қолдануға қолайсыз болды.
Қадамдар
SSTO-ға қатысты әртүрлі тәсілдер қарастырылды, оның ішінде тік ұшырылып, тік қондырылатын таза зымырандар, көлденең ұшырылып, көлденең қондырылатын ауамен дем алатын скрамджет қозғалтқыштарымен жабдықталған көліктер, ядролық қуатты көліктер, тіпті реактивтік қозғалтқыштармен жұмыс істейтін және ұшақ сияқты толықтай сақталып, орбитаға ұшып, жерге қона алатын көліктер де бар. Ракеталық қозғалтқыштармен жұмыс істейтін SSTO үшін басты мәселе – орбитаға жеткілікті отынмен бірге пайдалы жүк салмағын да алып жүруге жететін, жеткілікті масса қатынасын қамтамасыз ету болып табылады. Мүмкіндіктердің бірі – зымыранға Quicklaunch жобасында жоспарланғандай, ғарыш қаруы арқылы бастапқы жылдамдық беру. Ауамен дем алатын SSTO үшін негізгі қиындық – жүйенің күрделілігі, оған байланысты зерттеу және әзірлеу шығындары, атмосферадағы жоғары жылдамдыққа төтеп беруге қажетті материалтану және құрылыс технологиялары, сондай-ақ орбитаға жету үшін жеткілікті отынды тасымалдауға жететін масса қатынасын қамтамасыз ету, және пайдалы жүк салмағы. Ауамен дем алатын конструкциялар көбінесе дыбыс жылдамдығынан асып түсетін немесе гипердыбыс жылдамдығымен ұшады және әдетте орбитаға соңғы серпіліс үшін зымыран қозғалтқышын қамтиды. Ол орбитаға жету үшін жеткілікті тиімді қозғалтқышқа ие, бірақ көп жүк тасымайды.
Барлық биіктіктерге арналған бір қозғалтқыш
Кейбір SSTO тұжырымдамалары барлық биіктіктерде бірдей қозғалтқышты пайдаланады, бұл саңғы тәрізді соплосы бар дәстүрлі қозғалтқыштар үшін мәселе тудырады. Атмосфералық қысымға байланысты, әртүрлі сопло пішіндері қажет. Вакуумда жұмыс істеуге арналған қозғалтқыштарда үлкен соплолар болады, бұл түтін газдарының вакуумдық қысымға жақын кеңейе түсуіне мүмкіндік береді, соның арқасында тиімділік артады. Ағынды бөлу деп аталатын құбылысқа байланысты, атмосферада вакуумдық соплоны пайдалану қозғалтқыш үшін қатаң салдарларға әкелуі мүмкін. Сондықтан атмосферада жұмыс істеуге арналған қозғалтқыштар соплоны қысқартуы керек, газдарды тек атмосфералық қысымға дейін кеңейтуі керек. Кішкентай соплоның салдарынан болатын тиімділік жоғалтулары көбінесе сатылап азайтылады, себебі Rocketdyne J 2 сияқты жоғарғы саты қозғалтқыштары атмосфералық қысым мардымсыз болғанша отқа қосылмайды, демек үлкен соплоны пайдалануға болады. Мүмкін болатын шешімдердің бірі – аэропик қозғалтқышын қолдану, ол кең ауқымды қоршаған орта қысымында тиімді болуы мүмкін. Шындығында, X-33 жобасында сызықтық аэропик қозғалтқышы қолданылуы жоспарланған. Басқа шешімдер бірнеше қозғалтқышты пайдалануды және биіктікке бейімделетін қос мю соплолары немесе кеңейтілетін сопло бөлімдері сияқты басқа конструкцияларды қамтиды. Дегенмен, өте жоғары биіктіктерде қозғалтқыштың өте үлкен соплолары түтін газдарын вакуумдық қысымға дейін кеңейтеді. Нәтижесінде, бұл соплолар артық салмағының есебінен тиімсіз болады. Кейбір SSTO тұжырымдамалары жер бетінен жоғары қатынастарды пайдалануға мүмкіндік беретін өте жоғары қысымды қозғалтқыштарды қолданады. Бұл жақсы өнімділікті қамтамасыз етеді, соның салдарынан күрделі шешімдердің қажеті болмайды.
Ядролық қозғалтқыш
Қалқандау сияқты салмақ мәселелеріне байланысты көптеген ядролық қозғалту жүйелері өз салмағын көтере алмайды, демек, оларды орбитаға ұшыруға болмайды. Дегенмен, кейбір жобалар, мысалы, "Орион" жобасы және кейбір ядролық жылулық жүйелер, салмаққа қатысты итеру күші 1-ден жоғары болып, оларды ұшыруға мүмкіндік береді. Әрине, ядролық қозғалтудың басты мәселесі – қауіпсіздік, ол жолаушылар үшін ұшыру кезінде де, сондай-ақ ұшыру кезінде ақаулық туған жағдайда да маңызды. 2024 жылғы ақпан айына дейін Жер бетінен ядролық қозғалтуды іске асыруға тырысатын ешқандай бағдарлама жоқ.
Қуаттылығы арқалық қозғалтқыш
Олар химиялық отынмен салыстырғанда жоғары энергетикалық мүмкіндікке ие болғандықтан, кейбір лазерлік немесе микротолқынды қуатпен жұмыс істейтін ракеталық концепциялар бір сатылы орбитаға аппараттарды шығаруға потенциалға ие. Бірақ, қазіргі технологиялармен мұндай мүмкіндік іс жүзінде қол жетімді емес.
Мысалдар
Жерден гөрі Ай немесе Марс сияқты гравитациялық тартылысы төмен денеден SSTO-ға жету оңайырақ. Аполлон Ай модулі бір сатыда Айдың бетінен Ай орбитасына көтерілді. 1970–1971 жылдары Chrysler Corporation-ның ғарыш бөлімі NASA-ның NAS8 26341 шарты бойынша SSTO көліктеріне қатысты егжей-тегжейлі зерттеу дайындады. Олардың ұсынысы (Shuttle SERV) – (тік) қону үшін реактивтік қозғалтқыштарды пайдаланатын, жүк көлемі 400 метрден асатын, өте үлкен көлік болды. Техникалық мәселелерді шешуге болар сияқты көрінгенмен, АҚШ Әуе күштері қанатты конструкция талап етті, нәтижесінде бүгін білетін шатл пайда болды. McDonnell Douglas компаниясының Стратегиялық қорғаныс бастамасы (SDI) бағдарламалық кеңсесі үшін бастапқыда жасалған, адамсыз DC X технологиялық демонстраторы SSTO көлігіне бастайтын көлік құралын құруға жасалған әрекет болды. Үштен бір өлшемді сынақ ұшағы үш адамнан тұратын шағын командамен трейлерде жұмыс істеді және күткізілді, ал ұшақ бір рет қонудан кейін 24 сағаттан кем уақыт ішінде қайта іске қосылды. Сынақ бағдарламасы апаттарсыз өтті (соның ішінде шағын жарылыс болды), бірақ DC X концепцияның техникалық қызмет көрсету аспектілерінің дұрыс екенін көрсетті. Жоба төрт аяғының үшеуі ашылып, төртінші ұшуда құлап, жарылғаннан кейін, басқару Стратегиялық қорғаныс бастамасы ұйымынан NASA-ға ауысқаннан кейін тоқтатылды. "Аквариус" зымыран тасығышы орбитаға көлемді материалдарды мүмкіндігінше арзан жеткізу үшін жобаланды.
Қазіргі дамуы
Қазіргі және өткен SSTO жобаларына жапондық Kankoh maru жобасы, ARCA Haas 2C, Radian One және үнділік Avatar ғарыш ұшағы кіреді.
Скайлон
2010 жылы Ұлыбритания үкіметі ESA-мен бірлесіп, Skylon деп аталатын бір сатылы орбитаға шығатын ғарыш ұшағы тұжырымдамасын ілгерілету үшін серіктестік құрды. Бұл жобаның бастамашысы Reaction Engines Limited (REL) компаниясы болды, ол Алан Бонд HOTOL жобасы тоқтатылғаннан кейін құрылған. "Скайлон" ғарыш ұшағы Ұлыбритания үкіметі мен Британдық планетааралық қоғамы тарапынан жақсы қабылданып, оң баға алды. 2012 жылдың ортасында ESA-ның қозғалтқыш бөлімшесі аудиттен өткізген сәтті қозғалтқыш жүйесін сынақтан өткізгеннен кейін REL үш жарым жылдық жобаны бастайтынын мәлімдеді. Бұл жобаның мақсаты Sabre қозғалтқышының сынақ үлгісін жасау және құрастыру, сондай-ақ қозғалтқыштардың ауамен жұмыс істейтін және зымырандық режимдердегі өнімділігін дәлелдеу болды. 2012 жылдың қараша айында қозғалтқыштың алдын ала салқындатқышының маңызды сынағы сәтті аяқталғаны және ESA алдын ала салқындатқыштың конструкциясын растағаны хабарланды. Қазір жобаны дамыту келесі кезеңге өтуге мүмкіндік алды, ол толық көлемдегі прототиптік қозғалтқыштың құрастырылуы мен сынақтан өтуін қамтиды.
Жұлдызды кеме
SpaceX компаниясының бас директоры Илон Маск қазіргі уақытта Техас штатындағы Жұлдыздық базада дамытылып жатқан "Жұлдыздық кеме" зымырасының жоғарғы сатысы SSTO ретінде орбитаға шығуға қабілетті екенін мәлімдеді. Бірақ ол, егер мұндай жасалса, жылу қалқанына, қону шанағына немесе қонуға қажетті отынға жеткілікті масса қалмайтынын, тіпті пайдалы жүк тасу мүмкіндігі болмайтынын мойындайды.
Арзан ғарышқа ұшудың баламалы тәсілдері
Көптеген зерттеулер көрсеткендей, таңдалған технологияға қарамастан, шығынды азайтудың ең тиімді тәсілі – масштабтық үнемдеу. Көлік құралының жалпы санының көп болуы өндіріс шығындарын азайтады, бұл автомобильдердің жаппай өндірісі қолжетімділікті арттырғандай. Осы қағиданы пайдаланып, кейбір аэроғарыш сарапшылары ұшыру шығындарын төмендетудің жолы SSTO-ға керісінше дейді. Қайта пайдаланылатын SSTO ұшырудың әрбір құнын азайту үшін аз күтімді қажет ететін, жиі ұшырылатын қайта пайдаланылатын жоғары технологиялық көлікті жасаса, "жаппай өндіріс" тәсілі техникалық жетістіктерді шығындардың түпкі себебі деп қарастырады. Ракеталарды көптеп жасап, ұшырып, осылайша үлкен көлемде жүк жіберу арқылы шығындарды төмендетуге болады. Бұл тәсіл 1970 жылдардың соңында, 1980 жылдардың басында Батыс Германияда Конго Демократиялық Республикасы негізіндегі OTRAG зымыранымен сынақтан өткізілді. Бұл кейбір бұрынғы жүйелердің қарапайым қозғалтқыш жүйелерін "төмен технологиялық" отынмен пайдалану тәсіліне ұқсас, Ресей мен Қытай ғарыш бағдарламалары әлі де осылай істейді. Масштабқа балама ретінде, тасталған сатыларды іс жүзінде қайта пайдалануға болады: бұл Space Shuttle жобасының B фазасының бастапқы мақсаты болды және қазіргі уақытта SpaceX-тің қайта пайдаланылатын ұшыру жүйесін дамыту бағдарламасымен, олардың Falcon 9, Falcon Heavy және Starship, сондай-ақ Blue Origin New Glenn жүйелерімен жүзеге асырылуда.