Введение

Ракета с двумя ступенями

Ракета с двумя ступенями на орбиту (TSTO) или двухступенчатая ракета – это ракета-носитель, в которой две отдельные ступени последовательно обеспечивают тягу для достижения орбитальной скорости. Она является промежуточным вариантом между трехступенчатой ракетой-носителем и гипотетической одноступенчатой ракетой на орбиту (SSTO). При взлете первая ступень отвечает за разгон ракеты. В определенный момент вторая ступень отделяется от первой и продолжает выход на орбиту, используя собственную тягу. Преимущество такой системы перед одноступенчатой ракетой на орбиту заключается в том, что большая часть сухой массы ракеты не выводится на орбиту. Это снижает стоимость достижения орбитальной скорости, поскольку значительная часть массы конструкции и двигателей сбрасывается, и большая доля массы, выведенной на орбиту, приходится на полезную нагрузку. Преимущество перед ракетами с тремя и более ступенями – в снижении сложности и меньшем количестве этапов разделения, что уменьшает стоимость и риск отказа.

Многоразовые системы запуска

В отношении многоразовой системы запуска этот подход часто предлагается как альтернатива одноступенчатой орбитальной системе (или SSTO). Сторонники утверждают, что поскольку каждый этап может иметь меньшее отношение массы по сравнению с системой запуска SSTO, такая система может быть создана с большим запасом прочности по отношению к пределам используемых конструкционных материалов. Утверждается, что двухступенчатая конструкция должна требовать меньшего обслуживания, меньшего количества испытаний, реже выходить из строя и иметь больший срок службы. Кроме того, двухступенчатый подход позволяет оптимизировать первую ступень для работы в нижних слоях атмосферы Земли, где высокое давление и сопротивление, а вторую ступень – для работы в условиях близкого к вакууму пространства на поздних этапах запуска. Это позволяет увеличить долю полезной нагрузки в двухступенчатой ракете по сравнению с одноступенчатыми или полутораступенчатыми ракетами, которым приходится работать в обеих средах, используя одно и то же оборудование. Критики утверждают, что возросшая сложность проектирования двух отдельных ступеней, которые должны взаимодействовать, логистика, связанная с возвращением первой ступени на космодром, и трудности поэтапного тестирования второй ступени перевесят эти преимущества. В случае первых ступеней, выполненных в виде самолетов, также отмечают сложность и дороговизну разработки и эксплуатации высокоскоростных летательных аппаратов (таких как SR-71) и ставят под сомнение заявленные характеристики. Многие проекты "мини-шатлов", использующие транспортные самолеты в качестве первых ступеней, также сталкиваются с аналогичными проблемами с обледенением и отслаиванием теплозащиты, как и космический шаттл, из-за необходимости размещения большого внешнего топливного бака. По состоянию на 2023 год SpaceX и NASA – единственные компании, добившиеся повторного использования первой ступени орбитальной ракеты: SpaceX с двухступенчатыми Falcon 9 и Falcon Heavy (2,5 ступени), а NASA – с твердотопливными ускорителями космического шаттла. Rocket Lab восстановила несколько первых ступеней своей ракеты Electron, но повторно не запускала их.

Первый этап, похожий на вертолет

Принимая во внимание, что характеристики полёта, подобные полётам на самолёте, не обязательно подразумевают и соответствующий внешний вид, некоторые многоразовые концепции TSTO имеют первые ступени, функционирующие как аппараты вертикального взлёта и посадки (VTOL) или взлёта и посадки на короткий горизонтальный участок (VTOHL). DC-X подтвердил работоспособность концепции VTOL. Другие проекты, такие как DH 1, идут ещё дальше и используют схему "подъём-спуск", доставляя орбитальную ступень в точку примерно в 60 км над поверхностью Земли, после чего возвращаясь на стартовую площадку. В случае DH 1, верхняя ступень фактически представляет собой "почти SSTO" с более реалистичным соотношением массы и оптимизированная для надёжности.

Первая ступень, похожая на самолет

Некоторые конструкции TSTO включают в себя самолёт в качестве первой ступени и ракету – в качестве второй. Элементами самолёта могут быть крылья, воздушно-реактивные двигатели или и то, и другое. Этот подход привлекателен, поскольку он превращает атмосферу Земли из препятствия в преимущество. Выше определённой скорости и высоты крылья и прямоточные воздушно-реактивные двигатели (скрамджеты) перестают быть эффективными, и ракета развёртывается для завершения выхода на орбиту. Саенгер (космический аппарат) был одной из первых концепций такого типа. Хотя это не орбитальный аппарат, успешный частный суборбитальный космический аппарат SpaceShipOne, разработанный для премии Ansari X Prize, продемонстрировал, что двухступенчатая система с крылатым самолётом в качестве "нижней ступени" может достичь границы космоса. Команда, создавшая SpaceShipOne, построила и испытала коммерческую суборбитальную систему запуска SpaceShipTwo, основанную на этой технологии. Ракета Pegasus, запускаемая с самолёта, не является двухступенчатой системой для выхода на орбиту, поскольку сама ракетная ступень состоит из нескольких ступеней.