Ракеты перед взлетом сжигают сотни тысяч литров топлива. Новые технологии опираются, среди прочего, на центрифуги и газовые пушки.
Каждый запуск ракеты — это управляемый ад. Десятки или сотни тонн топлива взрываются до того, как полезная нагрузка проникнет даже в самые плотные слои атмосферы. Затраты огромны, а воздействие на окружающую среду значительно. Вот почему инженеры ищут альтернативы — и некоторые из них звучат как научная фантастика.
Подробности читайте после рекламы
Калифорнийская компания SpinLaunch, например, больше не хочет запускать спутники в космос с помощью ракет, а хочет их швырять. В гигантской центрифуге в Нью-Мексико полезные грузы разгоняются до скорости около 5000 миль в час, прежде чем взлететь в небо. Затем небольшая ракета принимает на себя лишь окончательное позиционирование на орбите.
Принцип работает: к сентябрю 2022 года SpinLaunch провел десять успешных суборбитальных испытаний. Компания перевозила оборудование для НАСА, Airbus и Корнельского университета. И компоненты пережили полет невредимыми.
Полезная нагрузка должна выдерживать 10 000 G.
Самым большим техническим препятствием является чрезмерное ускорение. В то время как человек в серьезной автомобильной аварии испытывает нагрузку от 50 до 100 G, спутники SpinLaunch испытывают силы от 10 000 до 20 000 G.
Поэтому каждый компонент полезной нагрузки должен выдерживать эти нагрузки. Модули GPS, солнечные панели, печатные платы – все необходимо перепроектировать. Компания SpinLaunch разработала специальные герметики, усиленные алюминиевые конструкции и улучшенную виброизоляцию.
Испытания показали, что даже имеющаяся в продаже электроника способна пережить такие экстремальные условия. Тем не менее, большинство спутников должны быть специально разработаны для кинетического запуска.
Подробности читайте после рекламы
Перезагрузка: почему SpinLaunch полагается на Аляску
Однако после десятого испытательного полета в сентябре 2022 года SpinLaunch дальнейших испытаний не проводила. В мае 2024 года основатель Джонатан Яни подал в отставку, и управление взял на себя бывший операционный менеджер Дэвид Ренн.
Тем не менее прогресс есть. В октябре 2024 года SpinLaunch заключила 100-летнюю аренду недвижимости на острове Адак на Аляске. Бывшая военно-морская база предлагает варианты запуска через Тихий океан и существующую инфраструктуру.
С водородом на скорости 9 Маха
Американская компания Green Launch придерживается другого подхода. Вместо центрифуги здесь используется легкая газовая пушка. Сжатый водород внезапно расширяется и разгоняет снаряд до 9000 километров в час.
Водород является идеальным топливом, поскольку при молекулярной массе всего 2 он значительно легче азота (28) или углекислого газа (44). Чем легче газ, тем выше достижимая скорость снаряда.
Green Launch описывает свою систему как «нулевой уровень». Пушка ускоряет полезную нагрузку в атмосфере, а затем небольшая ракета корректирует траекторию и выводит спутник на конечную орбиту.
Еще более экстремальные перегрузки
Однако силы ускорения у легкой газовой пушки еще более жестокие, чем у SpinLaunch: до 30 000 G. Это серьезно ограничивает возможную полезную нагрузку. Этот метод запуска исключает чувствительную оптику и научные инструменты.
Однако Green Launch показал, что доступная в продаже электроника может выдерживать нагрузку 30 000G с небольшими изменениями. Компоненты должны быть интегрированы в компактные корпуса диаметром около 3,2 сантиметра и длиной 10 сантиметров. Это существенно расширяет диапазон возможных полезных нагрузок.
Нулевые выбросы
Экологическая выгода значительна. В системе Green Launch в качестве топлива используются водород и кислород. Единственным образующимся выхлопным газом является водяной пар. Компания также восстанавливает более 91 процента двигательных газов. Это означает практически нулевые выбросы.
С другой стороны, традиционные ракеты выбрасывают более 19 тонн CO₂ на тонну полезной нагрузки. Ракеты на твердом топливе также выделяют соединения, разрушающие озоновый слой, а ракеты на керосине производят черный углерод, который в 500 раз эффективнее удерживает тепло, чем обычная сажа.
Обещано резкое снижение затрат
Обе системы также обещают значительно снизить начальные затраты. SpinLaunch предлагает от 1250 до 2500 долларов за килограмм. Green Launch идет еще дальше: 220 долларов за килограмм.
Для сравнения: полет на ракете SpaceX Falcon 9 стоит около 6000 долларов за килограмм, а на ракетах меньшего размера — от 15 000 до 50 000 долларов.
Однако к этим цифрам следует относиться с осторожностью. Это не считая огромных затрат на строительство орбитальной центрифуги или лёгкой газовой пушки. И еще неизвестно, достигнут ли когда-нибудь системы обещанной стартовой частоты.
2000 запусков в год: кому грозит космический мусор?
SpinLaunch говорит о пяти-десяти запусках в день. Потенциально это составит 2000 запусков в год – по сравнению с примерно 150 запусками по всему миру в настоящее время. Green Launch даже обещает интервалы между запусками от 60 до 90 минут.
Такой ритм мог бы демократизировать космические путешествия и сделать возможным совершенно новые применения. Но это также резко ухудшит проблему космического мусора. Чем больше объектов вращается на орбите, тем выше риск столкновений – и, следовательно, цепной реакции, которая может сделать непригодными для использования целые орбиты.
Запуск из стратосферы
Системы воздушного запуска используют третий, гораздо более традиционный подход. Принцип: самолет-носитель доставляет ракету на высоту около 10700 метров, сбрасывает ее туда, и двигатели воспламеняются в воздухе.
Самым большим самолетом в мире по размаху крыльев на данный момент является «Рок» от Stratolaunch. Имея размах крыльев 117 метров (шире футбольного поля) и шесть турбинных двигателей, он может нести 550 000 фунтов полезной нагрузки.
Запуск в более разреженной атмосфере снижает сопротивление воздуха и повышает эффективность ракеты на 10–15 процентов. Это позволяет использовать ракеты меньшего размера или большую полезную нагрузку. Кроме того, операторы могут гибко выбирать оптимальное место запуска и направление полета независимо от фиксированных трамплинов запуска.
Ограничено небольшой полезной нагрузкой
Но у метода есть жесткое ограничение: самолет-носитель должен поднять себя и ракету в воздух. Falcon 9 может выдержать 22 800 кг, но системы воздушного запуска подходят только для полезной нагрузки до 1000 кг, где географическая гибкость и более низкие затраты на инфраструктуру перевешивают ограничение по массе.
Немецкий аэрокосмический центр также исследует возможность использования воздушных запусков в военных целях. Великобритания уже экспериментирует с этим процессом.
