Введение

Система запуска, использующая только одну ракетную ступень. Аппарат, способный выйти на орбиту с помощью одной ступени (SSTO), достигает орбиты с поверхности небесного тела, используя только топливо и окислитель, без сброса баков, двигателей или другого основного оборудования. Этот термин обычно, но не исключительно, относится к многоразовым аппаратам. На сегодняшний день ни одна ракета-носитель SSTO не была запущена с Земли; все орбитальные запуски с Земли осуществлялись либо полностью, либо частично расходуемыми многоступенчатыми ракетами. Основным предполагаемым преимуществом концепции SSTO является устранение необходимости в замене оборудования, свойственной одноразовым пусковым системам. Однако, затраты на проектирование, разработку, исследования и инженерию (DDR&E) многоразовых систем SSTO значительно выше, чем у расходуемых систем, из-за существенных технических сложностей, связанных с SSTO, и предположения, что эти технические проблемы вообще могут быть решены. Аппараты SSTO также могут требовать значительно более частого и тщательного технического обслуживания. Считается, что запуск на орбиту химически-топливного космического аппарата с одной ступени с Земли в принципе возможен, хотя и маловероятен. Основными осложняющими факторами для SSTO с Земли являются: высокая орбитальная скорость, превышающая ; необходимость преодоления земной гравитации, особенно на начальных этапах полета; и полет в атмосфере Земли, который ограничивает скорость на начальных этапах из-за сопротивления воздуха и влияет на эффективность двигателей. Достижения в ракетостроении в XXI веке привели к значительному снижению стоимости вывода килограмма полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту или к Международной космической станции, что уменьшило основное прогнозируемое преимущество концепции SSTO. К заметным концепциям одноступенчатого выхода на орбиту относятся Skylon, использовавший гибридный двигатель SABRE, способный использовать кислород из атмосферы на малой высоте и переключаться на бордовой жидкий кислород на большой высоте, McDonnell Douglas DC X, Lockheed Martin X-33 и VentureStar, предназначенный для замены космического шаттла, а также Roton SSTO – вертолет, способный достичь орбиты. Однако, несмотря на некоторую перспективность, ни один из этих проектов не приблизился к выходу на орбиту из-за проблем с поиском достаточно эффективной двигательной установки и прекращением финансирования. Одной из самых ранних концепций SSTO был одноступенчатый орбитальный космический грузовик (OOST), предложенный Филиппом Боно, инженером компании Douglas Aircraft Company. Также была предложена многоразовая версия под названием ROOST. Другой ранней концепцией SSTO был многоразовый аппарат NEXUS, предложенный Крафтом Арнольдом Эрике в начале 1960-х годов. Это был один из самых крупных когда-либо задуманных космических аппаратов, диаметром более 50 метров и способностью выводить на околоземную орбиту до 2000 тонн груза, предназначенный для миссий к другим объектам Солнечной системы, таким как Марс. Североамериканский VTOVL с воздушным дополнением 1963 года был аналогичным крупным аппаратом, который должен был использовать прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ramjets) для уменьшения взлетной массы за счет отказа от большого количества жидкого кислорода при полете в атмосфере. С 1965 года Роберт Салкельд исследовал различные концепции крылатых космических самолетов с одноступенчатым выходом на орбиту. Он предложил аппарат, который сжигал бы углеводородное топливо в атмосфере, а затем переключался бы на водородное топливо для повышения эффективности в космосе. Другие примеры ранних концепций Боно (до 1990-х годов), которые так и не были реализованы, включают: ROMBUS (Reusable Orbital Module, Booster, and Utility Shuttle) – еще один проект Филиппа Боно. Технически это не была одноступенчатая система, поскольку она сбрасывала часть первоначальных водородных баков, но была очень близка к этому. Ithacus – адаптированная концепция ROMBUS, предназначенная для перевозки солдат и военной техники на другие континенты по суборбитальной траектории. Pegasus – еще одна адаптированная концепция ROMBUS, предназначенная для перевозки пассажиров и грузов на большие расстояния за короткое время с использованием космоса. Douglas SASSTO – концепция ракеты-носителя 1967 года. Hyperion – еще одна концепция Филиппа Боно, использовавшая ускорительный стартовый комплекс для разгона перед взлетом, чтобы уменьшить количество топлива, которое необходимо было поднять в воздух. Star Raker: в 1979 году Rockwell International представила концепцию тяжелого грузоподъемника массой 100 тонн, использующего многоцикловой прямоточный воздушно-реактивный/криогенный ракетный двигатель, взлетающий и приземляющийся горизонтально, одноступенчатый космический самолет Star Raker, предназначенный для вывода на 300-мильную околоземную орбиту крупных солнечных электростанций, работающих в космосе. Star Raker должен был иметь 3 ракетных двигателя LOX/LH2 (на базе SSME) + 10 турбореактивных прямоточных двигателей. Примерно в то же время HOTOL пытался использовать технологию предварительно охлаждаемых реактивных двигателей, но не продемонстрировал значительных преимуществ по сравнению с ракетными технологиями.

Технология DC-X

DC X, сокращение от Delta Clipper Experimental, был беспилотным демонстратором вертикального взлёта и посадки в масштабе 1/3, предназначенным для отработки концепции одноступенчатой космической системы (SSTO). Это один из немногих прототипов SSTO, когда-либо созданных. Планировалось создание нескольких других прототипов, включая DC X2 (прототип в масштабе 1/2) и DC Y – полноразмерный аппарат, способный выводить груз на орбиту за одну ступень. Ни один из этих прототипов не был построен, однако в 1995 году проект перешёл к NASA, которые создали DC XA – модернизированный прототип в масштабе 1/3. Аппарат был потерян при посадке, когда были выпущены только три из четырёх опор, что привело к опрокидыванию и взрыву. После этого проект был закрыт.

Ротон

С 1999 по 2001 год компания Rotary Rocket пыталась создать одноступенчатую орбитальную ракету (SSTO) под названием Roton. Проект привлек значительное внимание средств массовой информации, был создан рабочий уменьшенный прототип, однако конструкция оказалась в основном нереализуемой.

Подходы

Существуют различные подходы к SSTO, включая чисто ракетные системы, запускаемые и приземляемые вертикально, воздушно-реактивные аппараты с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД), запускаемые и приземляемые горизонтально, аппараты с ядерной энергетической установкой и даже самолеты с реактивными двигателями, способные выходить на орбиту и возвращаться на Землю, как авиалайнер, полностью в целости и сохранности. Для ракетных SSTO основная задача – достижение достаточно высокого отношения массы для обеспечения запаса топлива, необходимого для выхода на орбиту, и при этом перевозки значимой полезной нагрузки. Один из вариантов – разгон ракеты до начальной скорости с помощью космической пушки, как это было запланировано в проекте Quicklaunch. Для воздушно-реактивных SSTO главная проблема заключается в сложности системы и связанных с ней затратах на исследования и разработки, материаловедении и технологиях строительства, необходимых для выдерживания длительного высокоскоростного полета в атмосфере, а также в достижении достаточно высокого отношения массы для обеспечения запаса топлива, необходимого для выхода на орбиту, и при этом перевозки значимой полезной нагрузки. Конструкции воздушно-реактивного типа обычно летают на сверхзвуковых или гиперзвуковых скоростях и, как правило, включают ракетный двигатель для финального импульса при выходе на орбиту. Они обладают достаточно эффективным двигателем для достижения орбиты, но без возможности перевозки большой полезной нагрузки.

Один двигатель на любой высоте

Некоторые концепции SSTO используют один и тот же двигатель для всех высот, что является проблемой для традиционных двигателей с колокообразной формой сопла. В зависимости от атмосферного давления требуются различные формы колокола. Двигатели, предназначенные для работы в вакууме, имеют большие колокола, позволяющие выхлопным газам расширяться почти до вакуумного давления, тем самым повышая эффективность. Однако из-за эффекта, известного как отрыв потока, использование вакуумного колокола в атмосфере привело бы к катастрофическим последствиям для двигателя. Поэтому двигатели, предназначенные для работы в атмосфере, должны иметь укороченное сопло, расширяющее газы только до атмосферного давления. Потери эффективности, вызванные меньшим колоколом, обычно компенсируются ступенчатостью, поскольку двигатели верхних ступеней, такие как Rocketdyne J 2, не должны запускаться до тех пор, пока атмосферное давление не станет пренебрежимо малым, и поэтому могут использовать более крупный колокол. Одним из возможных решений является использование аэроскокового двигателя, который может быть эффективен в широком диапазоне внешнего давления. Фактически, линейный аэроскоковый двигатель планировалось использовать в конструкции X-33. Другие решения включают использование нескольких двигателей и других конструкций, адаптирующихся к высоте, таких как двойные колокола или расширяемые секции колокола. Тем не менее, на очень больших высотах чрезвычайно большие колокола двигателей склонны расширять выхлопные газы почти до вакуумного давления. В результате эти колокола оказываются контрпродуктивными из-за их избыточного веса. Некоторые концепции SSTO используют двигатели с очень высоким давлением, что позволяет достигать высоких степеней расширения уже с уровня земли. Это обеспечивает хорошую производительность, устраняя необходимость в более сложных решениях.

Ядерная тяга

Из-за проблем с весом, связанных с экранированием, многие ядерные двигательные установки не способны поднять собственный вес и, следовательно, не подходят для запуска на орбиту. Однако некоторые проекты, такие как проект "Орион" и некоторые ядерные тепловые установки, демонстрируют соотношение тяги к массе, превышающее 1, что позволяет им осуществлять взлёт. Очевидно, что одной из основных проблем, связанных с ядерной двигательной установкой, является безопасность – как во время запуска для пассажиров, так и в случае аварии при запуске. По состоянию на февраль 2024 года ни одна из действующих программ не предполагает использование ядерной двигательной установки с поверхности Земли.

Двигательная установка на балконе

Поскольку они могут обладать большей энергией, чем потенциальная энергия, высвобождаемая при использовании химического топлива, некоторые концепции ракет, работающих на лазерном или микроволновом излучении, потенциально способны выводить аппараты на орбиту за одну ступень. Однако на практике это невозможно с использованием современных технологий.

Примеры

Легче достичь SSTO с тела с меньшей гравитацией, чем у Земли, например, с Луны или Марса. Лунный модуль "Аполлон" поднялся с лунной поверхности на лунную орбиту за один этап. Подробное исследование аппаратов SSTO было подготовлено Космическим подразделением корпорации Chrysler в 1970–1971 годах по контракту NASA NAS8 26341. Их предложение (Shuttle SERV) представляло собой огромный аппарат, способный нести более чем 300 000 фунтов полезной нагрузки, использующий реактивные двигатели для (вертикальной) посадки. Хотя технические проблемы казались решаемыми, ВВС США потребовали крылатую конструкцию, что привело к созданию шаттла в том виде, в котором мы его знаем сегодня. Беспилотный технологический демонстратор DC-X, первоначально разработанный McDonnell Douglas для управления программы Стратегической оборонной инициативы (SDI), был попыткой создать аппарат, который мог бы стать основой для SSTO. Испытательный образец в одну треть размера обслуживался и эксплуатировался небольшой командой из трех человек, размещавшейся в трейлере, и однажды аппарат был повторно запущен менее чем через 24 часа после посадки. Несмотря на то, что программа испытаний не обошлась без происшествий (включая небольшой взрыв), DC-X продемонстрировал надежность концепции с точки зрения обслуживания. Проект был отменен после того, как аппарат приземлился с тремя из четырех опор, опрокинулся и взорвался во время четвертого полета после передачи управления от Организации стратегической оборонной инициативы в NASA. Ракета-носитель "Аквариус" была разработана для вывода на орбиту больших объемов материалов с минимальными затратами.

Современное развитие

Текущие и прошлые проекты SSTO включают японский проект «Канко Мару», ARCA Haas 2C, Radian One и индийский космический самолет «Аватар».

Скайлон

Британское правительство сотрудничало с ESA в 2010 году для продвижения концепции одноступенчатого космического самолета, способного выходить на орбиту, под названием Skylon. Этот проект был разработан компанией Reaction Engines Limited (REL), основанной Аланом Бондом после закрытия программы HOTOL. Концепция космического самолета Skylon получила положительные отзывы от британского правительства и Британского межпланетного общества. После успешного испытания двигательной установки, результаты которого были подтверждены отделом двигательных установок ESA в середине 2012 года, REL объявила о начале трех с половиной летнего проекта по разработке и созданию испытательного стенда для двигателя Sabre, чтобы продемонстрировать его характеристики в воздушно-реактивном и ракетном режимах работы. В ноябре 2012 года было объявлено об успешном завершении ключевого испытания предохладителя двигателя и о подтверждении его конструкции ESA. Теперь проект может перейти к следующему этапу, который включает в себя строительство и испытание полномасштабного прототипа двигателя.

Звездный корабль

Илон Маск, генеральный директор SpaceX, заявил, что верхняя ступень прототипа ракеты "Starship", разрабатываемая в настоящее время на базе "Starbase" (Техас), способна выйти на орбиту как одноступенчатая орбитальная система (SSTO). Однако он признает, что в этом случае практически не останется массы для теплозащитного экрана, шасси или топлива для посадки, не говоря уже о полезной нагрузке.

Альтернативные подходы к недорогим космическим полетам

Многие исследования показали, что независимо от выбранной технологии, наиболее эффективным способом снижения затрат является экономия за счет масштаба. Сам по себе выпуск большого количества продукции снижает производственные затраты на единицу, подобно тому, как массовое производство автомобилей значительно повысило их доступность. Исходя из этой концепции, некоторые аэрокосмические аналитики полагают, что путь к снижению стоимости запусков лежит в противоположном направлении от концепции SSTO (полностью многоразовых одноступенчатых космических аппаратов). В то время как многоразовые SSTO могли бы снизить стоимость запуска за счет создания многоразового высокотехнологичного аппарата, который часто запускается с минимальным техническим обслуживанием, подход "массового производства" рассматривает технические усовершенствования как первопричину высоких затрат. Простое создание и запуск большого количества ракет, а следовательно, и большого объема полезной нагрузки, позволяет снизить стоимость. Эта идея была предпринята в конце 1970-х – начале 1980-х годов в Западной Германии с ракетой OTRAG, базирующейся в Демократической Республике Конго. Это в некоторой степени напоминает подход, использованный в некоторых предыдущих системах, с применением простых двигательных систем и "низкотехнологичного" топлива, как это делают российские и китайские космические программы. Альтернативой масштабированию является обеспечение практической повторной используемости отбрасываемых ступеней: это была первоначальная цель проектирования в рамках исследований фазы B проекта Space Shuttle, и в настоящее время реализуется программой SpaceX по разработке многоразовых ракет-носителей Falcon 9, Falcon Heavy и Starship, а также компанией Blue Origin с использованием New Glenn.