Історія ESA, частина 3: Ракети та космічний транспорт

Свого часу ESA утворилося завдяки злиттю двох космічних відомств Європи — Європейської організації космічних досліджень (ESRO) та Європейської організації з розробки ракет-носіїв (ELDO). І якщо перша вправно виконувала свої функції з організації космічних місій, європейська ракетна промисловість стабільно тупцювала на місці. Подеколи це відбувалося через брак фінансування, а інколи — і внаслідок низки конфліктів всередині установи, що виникали з-за різного бачення ELDO. 

Така ситуація залишиться без змін до 1975-го, коли новостворене ESA розпочне свою програму з розробки ракет-носіїв. Вони не тільки гарантують Європі певний рівень незалежності у питаннях проведення космічних місій, але й блискуче зарекомендують себе на глобальному ринку космічних запусків.

Фантастична четвірка: старт серії Ariane

За кілька років після створення ESA зробило перші кроки з розвитку власної ракетної програми. За активної підтримки Французького національного космічного агентства (Centre national d’études spatiales, CNES) почалася доробка концепту ракети L3S, що була запропонована французами ще у 1973 році.

Фактично L3S була допрацьованою модифікацією ракети Europa IIIB. Серія ракет Europa була довгобудом ELDO, розпочатим ще у 1960-х роках. Перші її модифікації складалися з трьох ступенів, кожен з яких виготовляли три різні європейські країни. Перший ступінь взяли від британської ракети Blue Streak. Другий, Coralie, мав французьке походження. А за розробку заключного третього ступеню Astris відповідала Західна Німеччина. Втім, на етапі випробувань обидві модифікації Europa (перша і друга) продемонстрували 100% рівень відмови — п’ять з п’яти тестових запусків закінчилися невдачею. Запропонована третя модифікація ракети, яку назвали Europa IIIB, спочатку отримала зелене світло на свою розробку, проте згодом була визнана “занадто дорогим проєктом”, який вирішили відкласти до кращих часів. Саме із появою ESA вони і настали.

Отже, L3S була покликана повністю відбілити невдачі Europa. Після шести років розробки, в 1979-му, в арсеналі ESA з’явилася перша триступенева ракета-носій — Ariane 1. Від початку Ariane пропонувалася саме як ракета для доставки комерційних супутників і вантажів на орбіту. Це відрізнялося від стандартних цілей, заради яких будувалися ракети: у більшості випадків під можливість орбітальних запусків перероблювалися саме військові ракети, тож підхід ESA був новаторським.

Історичний перший запуск Ariane 1 відбувся 24 грудня 1979 року під час місії L-01, коли ракета доправила на GEO корисне навантаження CAT (Capsule Ariane Technologique), призначене для відстеження всіх етапів її польоту. Обладнання, встановлене на CAT, не тільки містило датчики тиску, температури, стресостійкості, але й саме по собі було імітацією корисного навантаження, яке Ariane 1 довезла на геосинхронну орбіту 202 на 35 753 км.

На першому ступені ракети розміщувалися чотири маршових двигуни Viking-5, розроблені французьким виробником Société Européenne de Propulsion. Другий ступінь ракети мав іще один двигун — Viking-4. Заключний третій ступінь оснастили двигуном HM7-A виробництва французької Snecma (зараз Safran Aircraft Engines). Він працював на пропеленті з рідкого кисню та рідкого водню. Подібну конструкцію рушіїв ракети ESA визнало вельми вдалою, завдяки чому вона залишалася майже без змін на перших чотирьох поколіннях ракети, аж до дебюту двоступеневої Ariane 5 наприкінці 1990-х років.

Успіх першої місії Ariane 1 був вражаючим. І саме він поклав край багаторічному домінуванню США на ринку запусків комерційних корисних вантажів на орбіту — відтепер і Європа потрапила в обойму потенційних виконавців подібних контрактів. Європейська Ariane 1 могла на належному рівні конкурувати з американськими ракетами-носіями, оскільки обсяги її відсіку під корисне навантаження дозволяли розміщувати там одразу кілька космічних апаратів, суттєво зменшуючи вартість їхньої доставки на орбіту.

У березні 1980 року ESA спільно з французьким CNES заснували ракетобудівну компанію Arianespace, яка відтоді опікується розробкою та створенням майбутніх версій Ariane.

На потенціал Ariane 1 покладали великі надії. Однак вони стали сумнівними під час першого комерційного запуску ракети (і п’ятого запуску загалом) — місії L5. Аномалія з турбонасосом, розташованим на третьому ступені ракети, призвела до того, що на восьмій хвилині після старту зв’язок з Ariane 1 перервався. Ракета зазнала критичної аварії та втратила своє корисне навантаження, залишивши велику пляму на репутації щойно створеної Arianespace. 

Це був другий невдалий запуск для Ariane 1, але саме він і виявився останнім — ракета більше не зазнає невдач у майбутньому. Майже припустима статистика помилок, якщо не брати до уваги те, що загалом ракета здійснила 11 космічних запусків (тож Ariane 1 мала показник відмов близько 19%). Перша невдала комерційна місія ще й підняла питання щодо доцільності створення одноразових ракет як таких — поява Space Shuttle у США позбавила Arianespace деяких контрактів.

Ситуацію покращила зацікавленість ракетою супутникового телекомунікаційного консорціуму Intelsat. До 1984 року Ariane 1 втілила дві місії (L-7 та L-8) з розгортання супутників зв’язку Intelsat V F-7. Саме ці контракти дозволили Arianespace побудувати десять ракет для запуску. Під час одного з цих стартів до комети Галлея вирушила історична місія ESA Giotto. Однак тенденція до зростання ваги супутників, що спостерігалася впродовж 1980-х років, потребувала модернізації ракети.

Проєкт Ariane 2 розпочали 1979 року, одночасно з розробкою Ariane 3, яка навіть дебютувала на два роки раніше другого номера серії. Так, третя Ariane почала літати у серпні 1984 року, тоді як друга — у травні 1986-го. При цьому Ariane 2 була спроможна доставити на 375 кг більше вантажів на геостаціонарну орбіту: 2175 кг порівняно з 1800 кг для Ariane 1. 

Ще більшу потужність мала Ariane 3, оснащена двома бічними прискорювачами SEP P7.35, що використовувалися впродовж перших 27 секунд польоту. Бустери допомогли підвищити вантажопідйомність ракети ще на 500 кг, довівши її до 2700 кг для геосинхронної перехідної орбіти. До того ж у ракети значно поліпшився показник відмов: з 11 запусків Ariane 3 зазнала помилки лише одного разу.

Психологічне підкорення рубежу в 2+ тонни вантажопідйомності було дуже важливим для Ariane — наприкінці 1980-х років, на час виводу другої та третьої Ariane з експлуатації, серія стала беззаперечним світовим лідером у класі важких ракет-носіїв. 

З 1988 до 2003 року Ariane 4 продовжувала ці славетні традиції. За цей період ракета здійснила 116 космічних місій, 113 з яких завершилися успіхом. Коефіцієнт успішності у 97,4% залишається найкращим показником серед усіх версій Ariane й досі — наступні версії ракет так і не перевершили Ariane 4 у надійності. 

Вантажопідйомність ракети була майже вдвічі більшою, ніж у її попередниці: різні модифікації Ariane 4 (всього їх буде шість) могли доставляти від 2000 до 4800 кг вантажу на геосинхронну, та від 5000 до 7600 кг — на низьку навколоземну орбіту. Насамперед такої потужності досягли за рахунок модернізації та збільшення кількості бічних твердопаливних прискорювачів, які з’явилися ще за часів Ariane 3. Комбінація рушіїв, що працювали як на рідкому, так і на твердому паливі, була новинкою для європейського ракетобудівництва. Подібне конструкторське рішення застосовувалося на той час хіба що тільки в космічній програмі КНР.

Ariane 4 була дійсно незамінною для Європи. Про це твердить хоча б той факт, що до розробки ракети доєдналося майже усе ESA у повному складі: уряди Бельгії, Данії, Іспанії, Ірландії, Італії, Нідерландів, Німеччини, Великої Британії, Франції, Швеції та Швейцарії фінансували цей проєкт. За часи свого існування Ariane 4 не просто виконала багато комерційних рейсів, але й запустила видатні наукові місії ESA: астрометричний супутник ESA Hipparcos, а також серію метеорологічних супутників Meteosat. 

Для обслуговування рейсів нової ракети на французькому космодромі в Куру збудували новий стартовий майданчик — ELA-2, що гарантував можливість проведення до восьми запусків важкої ракети впродовж року. За цим показником запуску важких ракет на початок 1990-х ESA поступалося лише радянській космічній програмі.

Новий концепт для Ariane 5 та затримка Ariane 6

В інженерному плані Ariane 4 була квінтесенцією конструкції, втіленої ще у першій ракеті серії. Далі поліпшувати цю технологію сенсу не було, тож під час старту розробки Ariane 5 у січні 1985 року було запроваджено кардинально новий концепт бачення ракети.

Передусім йшлося про зменшення кількості ступенів — на Ariane 5 їх планувалося всього два, плюс допоміжні бічні прискорювачі. Перший (або головний кріогенний ступень) підіймався за допомогою ракетних двигунів Vulcain різних модифікацій. Другий ступінь оснащувався одним ракетним двигуном EPS (Etage à Propergols Stockables; англ.: Storable Propellant Stage, SPS), який працював на паливній суміші з монометилгідразину (MMH) та тетраоксиду азоту. 

Головною інновацією двигуна EPS була здатність робити повторне запалення, продемонстрована у жовтні 2007 року, під час місії V26. До Ariane 5 також приєднали два бічні твердотільні бустери P24, вага кожного з них складала 277 тонн (разом з паливом), а початкова тяга дорівнювала 7080 кН. 

Від початку Ariane 5 розроблялася саме під потреби пілотованих запусків, зокрема космічного корабля Hermes, запропонованого у 1980-1990-х роках. Це було значною відмінністю від минулих модифікацій Ariane, розроблених для виведення комерційних супутників на орбіту. Але і з таким завданням ракета справлялася добре: різні модифікації Ariane 5 могли вміщати до двох великих (система корисного навантаження SYLDA) або трьох трохи менших головних супутників (система SPELTRA). А модифікація ракети, оснащена платформою корисного навантаження ASAP, дозволяла розгортати одразу вісім менших супутників вторинної ланки. 

Загалом за один рейс Ariane 5 могла доставити значно більше корисного навантаження на орбіту (до 10,8 тонни на GTO у модифікації EKA), водночас вартість запуску була в середньому на 20% меншою, порівняно з Ariane 4

Та навіть попри зниження вартості та більшу потужність, не всі представники ESA були в захваті від пропозицій повної заміни майже безвідмовної Ariane 4 на користь п’ятої версії, яку, до того ж, треба було розробляти з нуля. Через цей конфлікт поглядів у розробці Ariane 5 не приймала участі Велика Британія. Втім, 20 інших країн-членів ESA сприяли будівництву, залучаючи свої фірми-підрядники.

Перший запуск Ariane 5 відбувся у 1996 році, проте він був провальним через програмну помилку у системі навігації ракети. Але цей поганий досвід не став для ракети звичкою — в період з 2003 до 2017 року Ariane 5 провела рекордну серію з 82 вдалих космічних запусків поспіль. Усього ж за весь час експлуатації ракети, який тривав з 1996 до 2023 року, Ariane 5 виконала 117 запусків, серед яких 112 отримали успішний статус (загальний коефіцієнт успіхів склав 96%). 

ESA почало розробляти заміну Ariane 5, ще коли ракета була в експлуатації. Головною метою нового носія стало підвищення кількості річних запусків ракети: з 6-7 до 11 запусків на рік. Наразі пропонується, що Ariane 6 буде представлена у двох основних модифікаціях: з двома (Ariane 62) та чотирма (Ariane 64) твердопаливними бустерами для розгінного етапу польоту. Обидві моделі будуть спрямовані на доставку вантажів на сонячно-синхронну орбіту (SSO) та у трансмісячні ін’єкції (LTO). Можливо, саме Ariane 6 покаже себе під час реалізації Угод Артеміди — започаткованої у США програми з розгортання сталої присутності людей на Місяці.

Передбачалося, що шоста генерація Ariane почне літати з 2020 року, проте останні заяви ESA свідчать, що ракета не злетить включно до 2024 року. Нещодавно Європейське агентство знову перенесло фазу її тестового випробування, не називаючи конкретні причини такого рішення. Вірогідно, у Європи тривають фінансові труднощі: рада за радою європейські міністри ніяк не можуть погодити план подальшого розвитку проєкту важкої ракети.

Почасти багаторічна затримка у виробництві ризикує призвести до того, що Ariane 6 втратить свою актуальність: ракета не пропонує можливості повернення своїх ступенів на Землю, до того ж усе ще використовує паливну суміш на основі рідкого водню та рідкого кисню (гіролокс), в той час як багато гравців на ринку все частіше намагаються перевести свої маршові рушії на рідке метанове паливо. У 2010 році CNES зробило спробу старту розробки альтернативного багаторазового прискорювача на базі Ariane 6, що може працювати на метановому паливі, але станом на 2015 рік ESA залишило під сумнівом рентабельність такої конструкції ракети.

23 листопада 2023 року Ariane 6 все ж таки провела довготривале випробування статичним вогнем. Це одна з останніх перевірок, яка робиться перед повноцінним першим тестовим запуском, і для ракети вона завершилася успіхом. Робота двигуна Vulcan 2.1 тривала протягом 2 хвилин 42 секунд, що менше 470 секунд, до яких готувалося ESA.

Допоки Ariane 6 не рушить з місця, ESA залишається без власної ракети важкого класу. На щастя, з кінця 1990-х Європейське космічне агентство почало розробку альтернативної серії ракет-носіїв малої вантажопідйомності.

Поява VEGA: надійний легкий клас?

У 1990-х роках Arianespace анонсувала створення ще однієї ракети. Основна мета нового носія полягала в тому, щоб заповнити нішу для доставки малих корисних навантажень, переважно на полярну та сонячно-синхронну орбіту Землі.

З’явився концепт ракети малої вантажопідйомності, що отримав назву Vega (італ.: Vettore Europeo di Generazione Avanzata). Проєкт розроблявся за активної участі фахівців з Італійського космічного агентства (Agenzia Spaziale Italiana, ASI), яке надало левову частку фінансування (доля італійців склала майже 65%). Французьке CNES також долучилося до виробництва з долею у 13%. У розробці першого покоління Vega взяли участь ще й Іспанія, Бельгія, Нідерланди, Швейцарія та Швеція.

Деякі конструктивні рішення були запозичені у Ariane, проте Vega мала ще більше ступенів: три основних плюс верхній модуль AVUM, задіяний у маневрах коригування на останніх етапах польоту ракети. Перші три ступеня ракети працювали на твердопаливних двигунах виробництва італійської компанії Avio, а верхній модуль AVUM представляв собою космічний корабель на рідинному двигуні українського виробництва РД-843.

Розробка ракети розпочалася 2003-го і тривала понад вісім років. Перша Vega злетіла 13 лютого 2012-го. ESA визнало цей старт украй успішним, і з подальших 21 запусків першої модифікації Vega були вдалими 20. 

Проте наступна модифікація ракети, Vega-C, не змогла продемонструвати такі ж показники. З двох космічних запусків — 50% відмов. Під час другої місії Vega-C у грудні 2022 року помилка у конструкції сопла на двигуні другого ступеня Zefiro-40 призвела до втрати двох супутників сузір’я Airbus Pléiades Neo Earth. Майбутня експлуатація ракети опинилася під загрозою. 

Після розслідування ESA поставило подальше виробництво Vega-C на паузу, виступивши з пропозицією повної модифікації верхнього ступеня AVUM та запровадження нової конструкції двигуна, який працюватиме на кріогенному паливі з рідкого кисню та рідкого метану. Таке рішення призвело до припинення участі України в проєкті — тепер виробництво компонентів відбувається виключно у країнах ЄС, насамперед німецькими компаніями. За останніми прогнозами, простій в роботі Vega-C може тривати до кінця 2024 року.

А поки Ariane та Vega перебувають на паузі, європейський ринок ракет-носіїв презентує свої варіанти заміни. Британська Skyrora, німецькі RFA та ISAR Aerospace пропонують власні рішення для LEO та полярної орбіти з метою привернути увагу як комерційних замовників, так і самого ESA. Деякі з цих компаній готові не тільки показати нові концепти ракетної техніки, але й забезпечити наявність у Європи власного парку космічних транспортників. 

Космічні кораблі та транспортники: Hermes і ATV

Від самого початку свого створення ESA робило ставку саме на реалізацію безпілотних космічних місій. Європейські астронавти досягали орбіти найчастіше зусиллями космічного парку США та СРСР, які мали безперечне лідерство у питаннях доставки людей на орбіту. 

Однак перший концепт виробництва європейського космічного корабля був розроблений французьким CNES ще у 1975 році, після чого відразу удостоївся зацікавленості з боку молодого ESA. Корабель отримав назву Hermes і за своєю конструкцією був дуже подібний до проєкту американського Space Shuttle.

У 1985 році ESA призначило основним підрядником проєкту французьку аерокосмічну компанію Aérospatiale, яка за шість років завершила першу фазу розробки нового транспортного засобу. Однак на початку другої фази, що охоплювала виробництво та початок проведення місій, проєкт різко загальмувався.

Певною мірою затримкам сприяло зближення ESA з російським космічним агентством, яке відбувалося у 1990-ті роки. Сподівання на співпрацю з росіянами змусили європейців відмовитися від планерної конструкції космічного корабля на користь транспортника капсульного типу (саме такого типу транспорт вимагали спільні проєкти). Зрештою проєкт Hermes було визнано недоречним, а ESA зосередило зусилля на розробці іншого транспортника. 

1995 року ESA зробило нову пропозицію в сприянні роботі МКС, з метою задовольнити логістичні потреби Міжнародної орбітальної станції. У 1998 році Європейське агентство уклало контракт вартістю $470 млн знову з французькою Aérospatiale. Розроблені компанією вантажні космічні кораблі ATV (Automated Transfer Vehicle) виконували свої місії з доставки припасів на МКС з 2008 до 2015 року. Під час місії ATV-2 (“Йоганн Кеплер”) ESA навіть доправило на орбітальну станцію найтяжчий вантаж за всю історію космічних місій агентства — майже сім тонн припасів та наукового обладнання. 

За чверть століття після смерті Едуардо Амальді, який стояв біля витоків появи ESА, в березні 2012 року до МКС пристикувався ATV-3 — автоматизований транспортний корабель європейського виробництва, названий на честь ученого. Окрім корисних вантажів та наукового обладнання, він привіз той самий “лист надії”, візіонерський рукопис авторства Амальді, написаний вченим 1958 року, де він виклав свої думки щодо створення космічного агентства у Європі. Ця символічна подія підсумувала десятиріччя зусиль, які Європа спрямовувала на досягнення постійної присутності у космосі. 

Сьогодні ESA має серйозний намір поновити свою програму з доставки комерційних вантажів на орбіту. Під час листопадової зустрічі на Європейському космічному саміті у іспанській Севільї керівництво ESA оголосило конкурс на проєкт космічного вантажного корабля, який має доставляти вантажі на МКС включно до 2028 року. Цілком вірогідно, що нові вантажні кораблі ESA намагатимуться посісти своє місце у доставці вантажів і на майбутні комерційні станції, які мають прийти на заміну МКС після 2030 року.

За планом конкурсу, контракти на виготовлення нового космічного транспортника загальною вартістю $80 млн можуть розподілити поміж двох або трьох компаній-учасників. Такий підхід гарантуватиме Європі додаткову впевненість у тому, що хоча б один із виконавців представить проєкт робочого космічного корабля у належний термін. Поки що жодна з європейських компаній не затверджена для участі в конкурсі, проте відомо, що свої концепти космічних вантажних засобів мають Exploration (вона працює над серією капсул, щоб відправити одну з них на МКС вже у 2027 році) та німецька Rocket Factory Augsburg (RFA), яка нещодавно оголосила про співпрацю з Atmos Space Cargo та OHB у створенні космічного транспортного засобу.

Час покаже, чи буде здатне ESA іще запропонувати нові рішення щодо транспортних засобів для задоволення логістичних потреб як на рівні орбітальних станцій, так і для доставки вантажів за майбутньої присутності Європи на Місяці. З огляду на свій минулий досвід, космічне агентство має всі шанси, аби втілити ці амбіції у життя.