RETURN — TECHNICAL FIELD GUIDE / ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК
PHASETHROWN AWAY
PAYLOAD—
LANDING—
← ОГЛАВЛЕНИЕ — РИС. 00 — 21 ДЕКАБРЯ 2015, LANDING ZONE 1 9 × MERLIN 1D · 33 × RAPTOR

ВОЗВРАТ
FALCON 9, STARSHIP И МНОГОРАЗОВЫЕ РАКЕТЫ

Шестьдесят лет почти каждую ракету выбрасывали после одного полёта — как если бы авиалайнер списывали после посадки. С 2015 года SpaceX сажает ступени Falcon 9 на бетонные площадки и плавучие платформы и запускает их снова, сотни раз, а в 2024 году башня поймала в воздухе гораздо более крупный ускоритель Super Heavy. Семь глав и два прибора: узнайте, сколько полезной нагрузки стоит возвращение ступени, и попробуйте посадить её на двигателе, слишком мощном, чтобы зависнуть.

НАЧАТЬ — ГЛАВА 01 →
CH.01 / 07 — САМАЯ ДОРОГАЯ ЧАСТЬ ПАДАЕТ В МОРЕ

Повторное использование экономит деньги, но стоит полезной нагрузки

Первая ступень несёт большую часть двигателей и баков ракеты. Выбрасывать её каждый раз — значит строить новую для каждого пуска. «Спейс шаттл» возвращал твердотопливные ускорители на парашютах и снова летал на орбитальном корабле, но между полётами требовался большой объём работ. У Falcon 9 подход другой: первая ступень с девятью двигателями Merlin сама летит обратно и садится вертикально на опоры [1][3].

Ничто не даётся даром. Чтобы вернуться, ступень должна оставить топливо в баках, а не потратить его на разгон второй ступени, и несёт опоры и аэродинамические рули, которые иначе не нужны. Исследование MIT 2018 года сравнило все основные способы возвращения при общих допущениях: посадка вдали от старта стоит около 10–20 % полезной нагрузки, а полёт обратно к месту старта — около половины [2].

CH.02 / 07 — ТОПЛИВО, ОСТАВЛЕННОЕ НА ДОРОГУ ДОМОЙ

Каждый км/с, оставленный для посадки, — полезная нагрузка, оставшаяся на земле

В первом полёте с посадкой ступень отделилась на скорости почти 4000 миль/ч (1,8 км/с) на высоте около 80 км, удаляясь от побережья. Затем один двигатель развернул её, и она села на площадку примерно в десяти километрах к югу от места старта [3]. Для посадки вдали от старта на судно нужны лишь тормозной импульс перед входом в атмосферу и посадочный импульс. Возвращение к месту старта требует ещё и погасить всю эту скорость от берега — гораздо больший резерв.

SpaceX не публикует массы ступеней и полезную нагрузку для каждого способа посадки — её руководство пользователя даёт характеристики по выведению только по запросу [1]. Поэтому прибор ниже использует условную двухступенчатую керосиновую ракету размером примерно с Falcon 9 с принятыми массами и задаёт один вопрос: сколько полезной нагрузки останется, если первая ступень сохранит заданную Δv на обратный путь? Сравните ответ с диапазонами MIT [2].

РЕЗЕРВ ТОПЛИВА И ПОЛЕЗНАЯ НАГРУЗКА
mres = mdry,1 (eΔvrec/c₁ − 1)  ·  c₁ ln(m₀/m₁) + c₂ ln(m₂/mf) = 9.4 km/s
Допущения, не данные SpaceX: первая ступень — 410 т топлива и 25 т сухой массы, средний Iуд 300 с; вторая — 110 т топлива и 4,5 т сухой массы, Iуд 348 с; 9,4 км/с до низкой орбиты с потерями. Полезная нагрузка — наибольшая масса, при которой ещё набираются 9,4 км/с. Посадочное оборудование (опоры, рули) добавляется к сухой массе первой ступени.
—
—

Заданные резервы (1,4 и 3,5 км/с) — грубые допущения. Исследование MIT с более полной моделью нашло, что возвращение к месту старта стоит около половины полезной нагрузки [2]; этой простой модели для такого же проигрыша нужен резерв около 4,5 км/с — признак того, сколько она не учитывает (потери при обратном развороте, другую траекторию возвращающейся ступени).

CH.03 / 07 — СЛИШКОМ МОЩНЫЙ, ЧТОБЫ ЗАВИСНУТЬ

Нулевая скорость на нулевой высоте — и ни мгновением раньше

Merlin 1D развивает до 190 000 фунтов тяги у земли и может дросселироваться до 108 300 фунтов (482 кН) [1]. Почти пустая ступень весит гораздо меньше. Даже один двигатель на минимальном режиме толкает сильнее, чем тянет тяготение, поэтому ступень не может зависнуть: после начала посадочного импульса она тормозит, и если остановится выше площадки — начнёт снова подниматься.

Поэтому импульс нужно рассчитать так, чтобы скорость стала нулевой ровно в момент касания: первая севшая ступень погасила скорость точно в момент касания площадки [3]. Выберите массу ступени, скорость падения и высоту включения двигателя — и посмотрите, сядет ли она, разобьётся или остановится в воздухе.

—
—
—

Один двигатель на полной тяге (845 кН) [1], постоянная масса во время импульса, без сопротивления воздуха — упрощение: реальная ступень теряет массу, может дросселироваться и тормозится воздухом. Масса ступени и скорость падения — допущения для экспериментов, а не данные SpaceX.

CH.04 / 07 — ОТ ОДНОЙ ПОСАДКИ К СОТНЯМ

Посадить — и запустить снова

21 декабря 2015 года (по местному времени) Falcon 9 вывел одиннадцать спутников Orbcomm, а его первая ступень менее чем через десять минут после старта села на площадку Landing Zone 1 на мысе Канаверал — впервые ступень орбитальной ракеты вернулась целой [3]. 8 апреля 2016 года, после четырёх неудачных попыток в море, ступень грузового полёта к космической станции села на беспилотную баржу Of Course I Still Love You примерно в 300 км от берега [4].

Эта же ступень снова полетела 30 марта 2017 года, выведя спутник SES-10, — первый повторный полёт первой ступени Falcon 9. На её подготовку ушло около четырёх месяцев [5]. Повторные полёты стали рутиной: в августе 2025 года SpaceX запустила 450-ю уже летавшую ступень Falcon [6].

CH.05 / 07 — STARSHIP И SUPER HEAVY

Без опор: ускоритель ловит башня

Starship задуман с повторным использованием обеих ступеней. По экологической оценке FAA 2022 года, ускоритель Super Heavy вмещает до 3700 тонн жидкого кислорода и метана и несёт до 37 двигателей Raptor с тягой на старте до 74 МН; верхняя ступень Starship вмещает до 1500 тонн и несёт шесть двигателей Raptor [7]. Ни у одной нет сбрасываемых обтекателей или парашютов [7].

Вместо посадочных опор ускоритель возвращается к башне, с которой стартовал. 13 октября 2024 года, в пятом испытательном полёте Starship, ускоритель Super Heavy Booster 12 вернулся к стартовому столу примерно через семь минут после старта, и две огромные руки башни сомкнулись на нём, когда двигатели выключились [8]. Ниже — стартовая тяга ракет из этих справочников.

CH.06 / 07 — ДЕСЯТЬ ЛЕТ ВОЗВРАЩЕНИЙ

От одной посадки до поимки башней

Уравнение ракеты не изменилось. Изменилось решение платить десятой частью полезной нагрузки и больше за то, чтобы сохранить самую дорогую часть ракеты.

CH.07 / 07 — ИСТОЧНИКИ

Источники, на которые ссылается этот справочник