История ESA, часть 3: Ракеты и космический транспорт

В свое время ESA образовалось благодаря слиянию двух космических ведомств Европы — Европейской организации космических исследований (ESRO) и Европейской организации по разработке ракет-носителей (ELDO). И если первая исправно выполняла свои функции по организации космических миссий, европейская ракетная промышленность стабильно топталась на месте. Иногда это происходило ввиду нехватки финансирования, а иногда — и вследствие ряда конфликтов внутри учреждения, возникавших из-за разного видения ELDO.

Такая ситуация останется без изменений до 1975-го, когда вновь созданное ESA начнет свою программу по разработке ракет-носителей. Они не только гарантируют Европе определенный уровень независимости в вопросах проведения космических миссий, но и блестяще зарекомендуют себя на глобальном рынке космических запусков.

Фантастическая четверка: старт серии Ariane

Спустя несколько лет после создания ESA сделало первые шаги в развитии собственной ракетной программы. При активной поддержке Французского национального космического агентства (Centre national d’études spatiales, CNES) началась доработка концепта ракеты L3S, предложенной французами еще в 1973 году.

Фактически L3S была доработанной модификацией ракеты Europa IIIB. Серия ракет Europa была долгостроем ELDO, начатым еще в 1960-х годах. Первые ее модификации состояли из трех ступеней, каждую из которых изготавливали три разные европейские страны. Первую ступень взяли от британской ракеты Blue Streak. Вторая, Coralie, имела французское происхождение. А за разработку заключительной третьей ступени Astris отвечала Западная Германия. Впрочем, на этапе испытаний обе модификации Europa (первая и вторая) продемонстрировали 100% уровень отказа — пять из пяти тестовых запусков закончились неудачей. Предложенная третья модификация ракеты, которую назвали Europa IIIB, сначала получила зеленый свет на свою разработку, однако впоследствии была признана «слишком дорогим проектом», который решили отложить до лучших времен. Именно с появлением ESA они и наступили.

Итак, L3S призвана была полностью отбелить неудачи Europa. После шести лет разработки, в 1979-м, в арсенале ESA появилась первая трехступенчатая ракета-носитель — Ariane 1. Изначально Ariane предлагалась именно как ракета для доставки коммерческих спутников и грузов на орбиту. Это отличалось от стандартных целей, ради которых строились ракеты: в большинстве случаев под возможность орбитальных запусков переделывались именно военные ракеты, так что подход ESA был новаторским.

Исторический первый запуск Ariane 1 состоялся 24 декабря 1979 года во время миссии L-01, когда ракета доставила на GEO полезную нагрузку CAT (Capsule Ariane Technologique), предназначенную для отслеживания всех этапов ее полета. Оборудование, установленное на CAT, не только содержало датчики давления, температуры, стрессоустойчивости, но и само по себе являлось имитацией полезной нагрузки, которую Ariane 1 отвезла на геосинхронную орбиту 202 на 35 753 км.

На первой ступени ракеты размещались четыре маршевых двигателя Viking-5, разработанные французским производителем Société Européenne de Propulsion. Вторая ступень ракеты имела еще один двигатель — Viking-4. Заключительную третью ступень оснастили двигателем HM7-A производства французской Snecma (сейчас Safran Aircraft Engines). Он работал на пропелленте из жидкого кислорода и жидкого водорода. Подобную конструкцию двигателей ракеты ESA признало весьма удачной, благодаря чему она оставалась почти без изменений на первых четырех поколениях ракеты, вплоть до дебюта двухступенчатой Ariane 5 в конце 1990-х годов.

Успех первой миссии Ariane 1 был впечатляющим. И именно он положил конец многолетнему доминированию США на рынке запусков коммерческих полезных грузов на орбиту — отныне и Европа попала в обойму потенциальных исполнителей подобных контрактов. Европейская Ariane 1 могла на должном уровне конкурировать с американскими ракетами-носителями, поскольку объемы ее отсека под полезную нагрузку позволяли размещать там сразу несколько космических аппаратов, существенно уменьшая стоимость их доставки на орбиту.

В марте 1980 года ESA совместно с французским CNES основали ракетостроительную компанию Arianespace, которая с тех пор занимается разработкой и созданием будущих версий Ariane.

На потенциал Ariane 1 возлагали большие надежды. Однако они стали сомнительными во время первого коммерческого запуска ракеты (и пятого запуска в целом) — миссии L5. Аномалия с турбонасосом, расположенным на третьей ступени ракеты, привела к тому, что на восьмой минуте после старта связь с Ariane 1 прервалась. Ракета потерпела критическую аварию и потеряла свою полезную нагрузку, оставив большое пятно на репутации только что созданной Arianespace.

Это был второй неудачный запуск для Ariane 1, но именно он и оказался последним — ракета больше не потерпит неудач в будущем. Почти допустимая статистика ошибок, если не принимать во внимание то, что в целом ракета осуществила 11 космических запусков (то есть Ariane 1 имела показатель отказов около 19%). Первая неудачная коммерческая миссия также подняла вопрос о целесообразности создания одноразовых ракет как таковых — появление Space Shuttle в США оставило Arianespace без некоторых контрактов.

Ситуацию улучшила заинтересованность ракетой спутникового телекоммуникационного консорциума Intelsat. К 1984 году Ariane 1 воплотила две миссии (L-7 и L-8) по развертыванию спутников связи Intelsat V F-7. Именно эти контракты позволили Arianespace построить десять ракет для запуска. Во время одного из этих стартов к комете Галлея отправилась историческая миссия ESA Giotto. Однако тенденция к росту веса спутников, наблюдавшаяся в течение 1980-х годов, требовала модернизации ракеты.

Проект Ariane 2 начали в 1979 году, одновременно с разработкой Ariane 3, которая даже дебютировала двумя годами ранее второго номера серии. Так, третья Ariane начала летать в августе 1984 года, тогда как вторая — в мае 1986-го. При этом Ariane 2 была способна доставить на 375 кг больше грузов на геостационарную орбиту: 2175 кг по сравнению с 1800 кг для Ariane 1.

Еще большей мощностью обладала Ariane 3, оснащенная двумя боковыми ускорителями SEP P7.35, которые использовались в течение первых 27 секунд полета. Бустеры помогли повысить грузоподъемность ракеты еще на 500 кг, доведя ее до 2700 кг для геосинхронной переходной орбиты. К тому же у ракеты значительно улучшился показатель отказов: из 11 запусков Ariane 3 потерпела ошибку лишь однажды.

Психологическое покорение рубежа в 2+ тонны грузоподъемности было очень важным для Ariane — в конце 1980-х годов, на момент вывода второй и третьей Ariane из эксплуатации, серия стала безоговорочным мировым лидером в классе тяжелых ракет-носителей.

С 1988 до 2003 года Ariane 4 продолжала эти славные традиции. За указанный период ракета осуществила 116 космических миссий, 113 из которых завершились успехом. Коэффициент успешности в 97,4% остается лучшим показателем среди всех версий Ariane до сих пор — последующие версии ракет так и не превзошли Ariane 4 в надежности.

Грузоподъемность ракеты была почти вдвое больше, чем у ее предшественницы: различные модификации Ariane 4 (всего их будет шесть) могли доставлять от 2000 до 4800 кг груза на геосинхронную, и от 5000 до 7600 кг — на низкую околоземную орбиту. Главным образом такой мощности достигли за счет модернизации и увеличения количества боковых твердотопливных ускорителей, которые появились еще во времена Ariane 3. Комбинация двигателей, работающих как на жидком, так и на твердом топливе, была новинкой для европейского ракетостроения. Подобное конструкторское решение применялось на то время разве что только в космической программе КНР.

Ariane 4 была действительно незаменимой для Европы. Об этом говорит хотя бы тот факт, что к разработке ракеты присоединилось почти все ESA в полном составе: правительства Бельгии, Дании, Испании, Ирландии, Италии, Нидерландов, Германии, Великобритании, Франции, Швеции и Швейцарии финансировали этот проект. За время своего существования Ariane 4 не просто выполнила много коммерческих рейсов, но и запустила выдающиеся научные миссии ESA: астрометрический спутник ESA Hipparcos, а также серию метеорологических спутников Meteosat.

Для обслуживания рейсов новой ракеты на французском космодроме в Куру построили новую стартовую площадку — ELA-2, гарантирующую возможность проведения до восьми запусков тяжелой ракеты в течение года. По этому показателю запуска тяжелых ракет на начало 1990-х ESA уступало лишь советской космической программе.

Новый концепт для Ariane 5 и задержка Ariane 6

В инженерном плане Ariane 4 была квинтэссенцией конструкции, внедренной еще в первой ракете серии. Далее улучшать эту технологию не имело смысла, поэтому при старте разработки Ariane 5 в январе 1985 года был введен кардинально новый концепт видения ракеты.

Прежде всего речь шла об уменьшении количества ступеней — на Ariane 5 их планировалось всего две, плюс вспомогательные боковые ускорители. Первая (или главная криогенная ступень) поднималась с помощью ракетных двигателей Vulcain различных модификаций. Вторая ступень оснащалась одним ракетным двигателем EPS (Etage à Propergols Stockables; англ.: Storable Propellant Stage, SPS), который работал на топливной смеси из монометилгидразина (MMH) и тетраоксида азота.

Главной инновацией двигателя EPS была способность осуществлять повторное зажигание, продемонстрированная в октябре 2007 года, во время миссии V26. К Ariane 5 также присоединили два боковых твердотельных бустера P24, вес каждого из них составлял 277 тонн (вместе с топливом), а начальная тяга равнялась 7080 кН. 

Изначально Ariane 5 разрабатывалась именно под нужды пилотируемых запусков, в частности космического корабля Hermes, предложенного в 1980-1990-х годах. Это было значительным отличием от прошлых модификаций Ariane, разработанных для вывода коммерческих спутников на орбиту. Но и с такой задачей ракета справлялась хорошо: различные модификации Ariane 5 могли вмещать до двух больших (система полезной нагрузки SYLDA) или трех немножко меньших головных спутников (система SPELTRA). А модификация ракеты, оснащенная платформой полезной нагрузки ASAP, позволяла разворачивать сразу восемь меньших спутников вторичного звена.

Всего за один рейс Ariane 5 могла доставить значительно больше полезной нагрузки на орбиту (до 10,8 тонны на GTO в модификации EKA), при этом стоимость запуска была в среднем на 20% меньше по сравнению с Ariane 4

Но даже несмотря на снижение стоимости и бóльшую мощность, не все представители ESA пришли в восторг от предложений полной замены почти безотказной Ariane 4 в пользу пятой версии, которую, к тому же, надо было разрабатывать с нуля. Из-за этого конфликта взглядов в разработке Ariane 5 не принимала участия Великобритания. Впрочем, 20 других стран-членов ESA способствовали строительству, привлекая свои фирмы-подрядчики.

Первый запуск Ariane 5 состоялся в 1996 году, однако он был провальным вследствие программной ошибки в системе навигации ракеты. Но этот плохой опыт не вошел для ракеты в привычку — в период с 2003 по 2017 год Ariane 5 провела рекордную серию из 82 удачных космических запусков подряд. Всего же за все время эксплуатации ракеты, с 1996 до 2023 года, Ariane 5 выполнила 117 запусков, из которых 112 получили успешный статус (общий коэффициент успехов составил 96%).

ESA начало разрабатывать замену Ariane 5, еще когда ракета была в эксплуатации. Главной целью нового носителя стало повышение количества годовых запусков ракеты: с 6-7 до 11 запусков в год. Сейчас предлагается, что Ariane 6 будет представлена в двух основных модификациях: с двумя (Ariane 62) и четырьмя (Ariane 64) твердотопливными бустерами для разгонного этапа полета. Обе модели будут направлены на доставку грузов на солнечно-синхронную орбиту (SSO) и в транслунные инъекции (LTO). Возможно, именно Ariane 6 проявит себя при реализации Соглашений Артемиды — учрежденной в США программы по развертыванию устойчивого присутствия людей на Луне.

Предполагалось, что шестая генерация Ariane начнет летать с 2020 года, однако последние заявления ESA свидетельствуют, что ракета не взлетит вплоть до 2024 года. Недавно Европейское агентство вновь перенесло фазу ее тестового испытания, не называя конкретных причин такого решения. Вероятно, у Европы продолжаются финансовые трудности: совет за советом европейские министры никак не могут согласовать план дальнейшего развития проекта тяжелой ракеты.

Отчасти многолетняя задержка в производстве рискует привести к тому, что Ariane 6 утратит свою актуальность: ракета не предлагает возможности возвращения своих ступеней на Землю, к тому же все еще использует топливную смесь на основе жидкого водорода и жидкого кислорода (гиролокс), в то время как многие игроки на рынке все чаще пытаются перевести свои маршевые двигатели на жидкое метановое топливо. В 2010 году CNES предприняло попытку старта разработки альтернативного многоразового ускорителя на базе Ariane 6, который может работать на метановом топливе, однако по состоянию на 2015 год ESA оставило под сомнением рентабельность такой конструкции ракеты.

23 ноября 2023 года Ariane 6 все же провела длительное статическое огневое испытание. Это одна из последних проверок, которая делается перед полноценным первым тестовым запуском, и для ракеты она завершилась успехом. Работа двигателя Vulcan 2.1 длилась в течение 2 минут 42 секунд, что меньше 470 секунд, к которым готовилось ESA.

Пока Ariane 6 не двинется с места, ESA остается без собственной ракеты тяжелого класса. К счастью, с конца 1990-х Европейское космическое агентство начало разработку альтернативной серии ракет-носителей малой грузоподъемности.

Появление VEGA: надежный легкий класс?

В 1990-х годах Arianespace анонсировала создание еще одной ракеты. Основная цель нового носителя заключалась в том, чтобы заполнить нишу для доставки малых полезных нагрузок, преимущественно на полярную и солнечно-синхронную орбиту Земли.

Появился концепт ракеты малой грузоподъемности, получивший название Vega (итал.: Vettore Europeo di Generazione Avanzata). Проект разрабатывался при активном участии специалистов из Итальянского космического агентства (Agenzia Spaziale Italiana, ASI), предоставившего львиную долю финансирования (доля итальянцев составила почти 65%). Французское CNES также присоединилось к производству с долей в 13%. В разработке первого поколения Vega приняли участие еще и Испания, Бельгия, Нидерланды, Швейцария и Швеция.

Некоторые конструктивные решения были заимствованы у Ariane, однако Vega имела еще больше ступеней: три основных плюс верхний модуль AVUM, задействованный в маневрах корректировки на последних этапах полета ракеты. Первые три ступени ракеты работали на твердотопливных двигателях производства итальянской компании Avio, а верхний модуль AVUM представлял собой космический корабль на жидкостном двигателе украинского производства РД-843.

Разработка ракеты началась в 2003-м и продолжалась более восьми лет. Первая Vega взлетела 13 февраля 2012-го. ESA признало этот старт крайне успешным, и из дальнейших 21 запусков первой модификации Vega были удачными 20.

Однако следующая модификация ракеты, Vega-C, не смогла продемонстрировать такие же показатели. Из двух космических запусков — 50% отказов. Во время второй миссии Vega-C в декабре 2022 года ошибка в конструкции сопла на двигателе второй ступени Zefiro-40 привела к потере двух спутников созвездия Airbus Pléiades Neo Earth. Будущая эксплуатация ракеты оказалась под угрозой.

После расследования ESA поставило дальнейшее производство Vega-C на паузу, выступив с предложением полной модификации верхней ступени AVUM и внедрения новой конструкции двигателя, который будет работать на криогенном топливе из жидкого кислорода и жидкого метана. Такое решение привело к прекращению участия Украины в проекте — теперь производство компонентов осуществляется исключительно в странах ЕС, прежде всего немецкими компаниями. По последним прогнозам, простой в работе Vega-C может продлиться до конца 2024 года.

А пока Ariane и Vega пребывают на паузе, европейский рынок ракет-носителей представляет свои варианты замены. Британская Skyrora, немецкие RFA и ISAR Aerospace предлагают собственные решения для LEO и полярной орбиты с целью привлечь внимание как коммерческих заказчиков, так и самого ESA. Некоторые из этих компаний готовы не только показать новые концепты ракетной техники, но и обеспечить наличие в Европе собственного парка космических транспортников.

Космические корабли и транспортники: Hermes и ATV

С самого начала своего создания ESA делало ставку именно на реализацию беспилотных космических миссий. Европейские астронавты добирались до орбиты чаще всего усилиями космического парка США и СССР, имевших неоспоримое лидерство в вопросах доставки людей на орбиту.

Впрочем, первый концепт производства европейского космического корабля был разработан французским CNES еще в 1975 году, после чего сразу удостоился заинтересованности молодого ESA. Корабль получил название Hermes и по своей конструкции был очень похож на проект американского Space Shuttle.

В 1985 году ESA назначило основным подрядчиком проекта французскую аэрокосмическую компанию Aérospatiale, которая в течение шести лет завершила первую фазу разработки нового транспортного средства. Однако в начале второй фазы, охватывающей производство и начало проведения миссий, проект резко затормозился.

В определенной степени задержкам способствовало сближение ESA с российским космическим агентством, которое происходило в 1990-е годы. Надежды на сотрудничество с россиянами вынудили европейцев отказаться от планерной конструкции космического корабля в пользу транспортника капсульного типа (именно такого типа транспорт требовали совместные проекты). В конце концов проект Hermes был признан неуместным, а ESA сосредоточило усилия на разработке другого транспортника.

В 1995 году ESA сделало новое предложение в содействии работе МКС, с целью удовлетворить логистические потребности Международной орбитальной станции. В 1998 году Европейское агентство заключило контракт стоимостью $470 млн снова с французской Aérospatiale. Разработанные компанией грузовые космические корабли ATV (Automated Transfer Vehicle) выполняли свои миссии по доставке припасов на МКС с 2008 по 2015 год. Во время миссии ATV-2 («Иоганн Кеплер») ESA даже доставило на орбитальную станцию самый тяжелый груз за всю историю космических миссий агентства — почти семь тонн припасов и научного оборудования.

Спустя четверть века после смерти Эдуардо Амальди, стоявшего у истоков появления ESА, в марте 2012 года к МКС пристыковался ATV-3 — автоматизированный транспортный корабль европейского производства, названный в честь ученого. Кроме полезных грузов и научного оборудования, он привез то самое «письмо надежды», визионерскую рукопись авторства Амальди, написанную ученым в 1958 году, где он изложил свои мысли о создании космического агентства в Европе. Это символическое событие подытожило десятилетия усилий, приложенных Европой для достижения постоянного присутствия в космосе.

Сегодня ESA серьезно намерено возобновить свою программу по доставке коммерческих грузов на орбиту. Во время ноябрьской встречи на Европейском космическом саммите в испанской Севилье руководство ESA объявило конкурс на проект космического грузового корабля, который должен доставлять грузы на МКС вплоть до 2028 года. Вполне вероятно, что новые грузовые корабли ESA будут стремиться занять свое место в доставке грузов и на будущие коммерческие станции, которые придут на замену МКС после 2030 года.

По плану конкурса, контракты на изготовление нового космического транспортника общей стоимостью $80 млн должны распределить между двумя или тремя компаниями-участниками. Такой подход может гарантировать Европе дополнительную уверенность в том, что хотя бы один из исполнителей представит проект рабочего космического корабля в срок. Пока ни одна из европейских компаний не утверждена для участия в конкурсе, однако известно, что свои концепты космических грузовых средств имеют Exploration (она работает над серией капсул, чтобы отправить одну из них на МКС уже в 2027 году) и немецкая Rocket Factory Augsburg (RFA), которая недавно объявила о сотрудничестве с Atmos Space Cargo и OHB в создании космического транспортного средства.

Время покажет, будет ли способно ESA опять предложить новые решения в транспортных средствах для удовлетворения логистических потребностей как на уровне орбитальных станций, так и для доставки грузов в случае будущего присутствия Европы на Луне. Учитывая свой прошлый опыт, космическое агентство имеет все шансы, чтобы воплотить эти амбиции в жизнь.