Введение
Ракета, используемая для вывода космического аппарата в космос.
Ракета-носитель – это, как правило, ракетное транспортное средство, предназначенное для доставки полезной нагрузки (пилотируемого космического корабля или спутников) с поверхности Земли или из нижних слоев атмосферы в космическое пространство. Наиболее распространенной формой является многоступенчатая ракета, имеющая форму баллистической ракеты, однако этот термин более общий и включает в себя и такие аппараты, как космический шаттл. Большинство ракет-носителей осуществляют запуски с пусковой площадки, обеспечиваемой центром управления полетами и системами, предназначенными для сборки и заправки. Ракета-носители разрабатываются с применением передовых аэродинамических и технологических решений, что обуславливает высокие эксплуатационные расходы. Орбитальная ракета-носитель должна поднять свою полезную нагрузку как минимум до границы космоса, приблизительно, и разогнать ее до горизонтальной скорости не менее. Суборбитальные ракеты-носители выводят свою полезную нагрузку на меньшую скорость или запускаются под углами, превышающими горизонтальный. В практических орбитальных ракетах-носителях используются химические топлива, такие как твердое топливо, жидкий водород, керосин, жидкий кислород или гиперголические компоненты топлива. Ракеты-носители классифицируются по их грузоподъемности на орбиту, начиная от малых, средних, тяжелых и заканчивая сверхтяжелыми.
Общая информация
Орбитальный космический полет требует разгона спутника или космического аппарата до очень высокой скорости. В вакууме космоса силы реакции должны создаваться за счет выброса массы, что приводит к ракетному уравнению. Физика космических полетов такова, что для достижения желаемой орбиты обычно требуются ракетные ступени. Ракеты-носители одноразового использования предназначены для однократного применения, с ускорителями, которые обычно отделяются от полезной нагрузки и разрушаются при повторном входе в атмосферу или при столкновении с землей. В отличие от них, многоразовые ракеты-носители разработаны для сохранения целостности и повторного запуска. Falcon 9 является примером многоразовой ракеты-носителя. По состоянию на 2023 год все когда-либо эксплуатировавшиеся многоразовые ракеты-носители были частично многоразовыми, то есть некоторые компоненты восстанавливаются, а другие – нет. Обычно это означает восстановление определенных ступеней, как правило, только первой, но иногда могут восстанавливаться отдельные компоненты ракетной ступени, в то время как другие – нет. Например, космический шаттл восстанавливал и повторно использовал твердотопливные ускорители, орбитальный модуль космического шаттла, который также выполнял функцию второй ступени, и двигатели, использовавшиеся основной ступенью (RS 25, расположенные в хвостовой части орбитального модуля). Однако топливный бак, из которого двигатели забирали топливо и который был отделен от двигателей, повторно не использовался. Например, Европейское космическое агентство отвечает за ракету Ariane V, а United Launch Alliance производит и запускает ракеты Delta IV и Atlas V.
Местонахождение стартовой площадки
Пусковые площадки могут располагаться на суше (космодром), на стационарной океанской платформе (Сан-Марко), на мобильной океанской платформе (Sea Launch) и на подводной лодке. Ракеты-носители также могут запускаться с воздуха.
Режимы полетов
Ракета-носитель стартует с полезной нагрузкой с определенной точки на поверхности Земли. Для выхода на орбиту ракете необходимо двигаться вертикально, чтобы покинуть атмосферу, и горизонтально, чтобы избежать повторного входа в атмосферу. Требуемая скорость зависит от типа орбиты, но всегда значительно превышает скорости, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Ракеты-носители обладают различной производительностью. Например, спутник, предназначенный для геостационарной орбиты (GEO), может быть выведен на орбиту непосредственно верхней ступенью ракеты-носителя или выведен на геостационарную переходную орбиту (GTO). Прямой вывод на орбиту предъявляет более высокие требования к ракете-носителю, в то время как переход на GTO более требователен к космическому аппарату. Находясь на орбите, верхние ступени ракеты-носителя и спутники могут иметь частично совпадающие возможности, однако срок службы верхних ступеней обычно исчисляется часами или днями, в то время как космические аппараты могут функционировать десятилетиями.
Возвращение на стартовую площадку
После 1980 года, но до 2010-х годов, два орбитальных ракетных комплекса получили возможность возвращаться на стартовую площадку (RTLS). Как американский космический челнок – с одним из режимов аварийного прекращения полёта, – так и советский «Буран» были спроектированы с возможностью возврата части ракеты-носителя на стартовую площадку посредством горизонтальной посадки самолётной части ракетного комплекса. В обоих случаях основная силовая структура и большой топливный бак были одноразовыми, что соответствовало стандартной практике для всех орбитальных ракет, запускавшихся до этого времени. Возможность возврата была продемонстрирована в ходе реальных орбитальных полётов, хотя оба комплекса также имели режим аварийного прекращения полёта, который теоретически мог позволить экипажу посадить самолётную часть после нештатной ситуации на старте. В 2000-х годах компании SpaceX и Blue Origin независимо разработали ряд технологий для обеспечения вертикальной посадки первой ступени ракеты-носителя. После 2010 года SpaceX начала программу разработки для получения возможности возвращать и вертикально сажать первую ступень орбитального ракетного комплекса Falcon 9. Первая успешная посадка была осуществлена в декабре 2015 года, а с 2017 года ступени ракет регулярно приземляются либо на посадочную площадку рядом со стартовым комплексом, либо на плавучую платформу в море, на некотором удалении от места запуска. Falcon Heavy также разработан с возможностью повторного использования трёх двигателей, составляющих его первую ступень. Во время первого полёта в феврале 2018 года два крайних двигателя успешно вернулись на посадочные площадки стартового комплекса, в то время как центральный двигатель был направлен к плавучей платформе в море, но не смог успешно приземлиться на неё. Blue Origin разработала аналогичные технологии для возврата и посадки своего суборбитального аппарата New Shepard, успешно продемонстрировав возвращение в 2015 году и повторно использовав тот же ускоритель во втором суборбитальном полёте в январе 2016 года. К октябрю 2016 года Blue Origin пять раз успешно запускала и приземляла тот же ракетный комплекс. Однако следует отметить, что траектории полётов этих двух аппаратов существенно различаются: New Shepard стартует и приземляется вертикально, в то время как Falcon 9 должна погасить значительную горизонтальную скорость и вернуться с заметного расстояния. Компании Blue Origin и SpaceX также разрабатывают другие многоразовые ракетные комплексы. Blue Origin разрабатывает первую ступень орбитального ракетного комплекса New Glenn, предназначенную для повторного использования, первый полёт которого запланирован не ранее 2024 года. SpaceX разрабатывает новую сверхтяжёлую ракету-носитель для миссий в межпланетное пространство. Космический корабль Starship предназначен для поддержки RTLS, вертикальной посадки и полного повторного использования как первой ступени, так и интегрированной второй ступени/большого космического корабля, предназначенных для использования с Starship. Первая попытка запуска состоялась в апреле 2023 года, однако обе ступени были потеряны во время подъёма.
had a designed in capability to return a part of the launch vehicle to the launch site via the mechanism of horizontal landing of the spaceplane portion of the launch vehicle. In both cases, the main vehicle thrust structure and the large propellant tank were expendable, as had been the standard procedure for all orbital launch vehicles flown prior to that time. Both were subsequently demonstrated on actual orbital nominal flights, although both also had an abort mode during launch that could conceivably allow the crew to land the spaceplane following an off nominal launch. In the 2000s, both SpaceX and Blue Origin have privately developed a set of technologies to support vertical landing of the booster stage of a launch vehicle. After 2010, SpaceX undertook a development program to acquire the ability to bring back and vertically land a part of the Falcon 9 orbital launch vehicle: the first stage. The first successful landing was done in December 2015, since 2017 rocket stages routinely land either at a landing pad adjacent to the launch site or on a landing platform at sea, some distance away from the launch site. The Falcon Heavy is similarly designed to reuse the three cores comprising its first stage. On its first flight in February 2018, the two outer cores successfully returned to the launch site landing pads while the center core targeted the landing platform at sea but did not successfully land on it. Blue Origin developed similar technologies for bringing back and landing their suborbital New Shepard, and successfully demonstrated return in 2015, and successfully reused the same booster on a second suborbital flight in January 2016. By October 2016, Blue had reflown, and landed successfully, that same launch vehicle a total of five times. It must however be noted that the launch trajectories of both vehicles are very different, with New Shepard going straight up and down, whereas Falcon 9 has to cancel substantial horizontal velocity and return from a significant distance downrange. Both Blue Origin and SpaceX also have additional reusable launch vehicles under development. Blue is developing the first stage of the orbital New Glenn LV to be reusable, with first flight planned for no earlier than 2024. SpaceX has a new super heavy launch vehicle under development for missions to interplanetary space. The SpaceX Starship is designed to support RTLS, vertical landing and full reuse of both the booster stage and the integrated second stage/large spacecraft that are designed for use with Starship. Its first launch attempt took place in April 2023; however, both stages were lost during ascent.