Для вновь разрабатываемых РН, рассчитываемых на длительное использование, могут и должны быть найдены технические способы и средства сокращения числа и размеров районов падения отделяющихся частей вплоть до их полного исключения. Применительно к РН традиционной ракетной схемы возможен ряд направлений исследований и проработок.
Первое – переход на двухступенчатые схемы РН с максимальным сокращением числа сбрасываемых в полете отделяющихся частей (например, створки головных обтекателей могут не сбрасываться, а откидываться или сдвигаться и закрепляться на нижней отработавшей ступени; хвостовые отсеки последующей ступени также могут отделяться совместно с отработавшей нижней ступенью и т. п.).
Второе – сокращение размеров районов падения по трассе пуска использованием специальных технических средств уменьшения рассеивания (СУР). В качестве СУР могут рассматриваться специальные алгоритмы работы системы управления носителем на активном участке, обеспечивающие сброс отделяющейся части по «функционалу попадания в заданный район», а также пассивные (аэродинамические) средства стабилизации отработавших ступеней на участке возвращения и активные средства стабилизации отделившихся ступеней (реактивные сопла, работающие на специальном топливе, невыработанных остатках рабочего топлива или газов наддува и т.п.). Для сбрасываемых створок головных обтекателей может оказаться эффективным их разделение на «удобообтекаемые» фрагменты со смещенным центром масс относительно центра давления либо выбор специальных конструкционных материалов, полностью сгорающих при входе в плотные слои атмосферы (в этом случае полностью исключается необходимость в районе падения створок обтекателей).
Третье – сокращение числа районов падения отработавших ступеней при пусках по разным трассам путем использования специальных технических средств управляемого возвращения (СУВ) либо пространственного маневра на участке работы второй ступени. При этом СУВ могут быть аналогичными аэродинамическим или реактивным СУР, но с расширением их маневренных возможностей не только по дальности полета, но и по азимуту. В результате при пусках РН в некотором диапазоне азимутов (наклонений орбит) может быть обеспечено приземление отработавших ступеней в одном «среднем» районе. Аналогичный эффект достигается, если трасса полета РН на участке работы первой ступени при запусках аппаратов на орбиты разных наклонений неизменна и на ней выбирается район падения, а после отделения первой ступени вторая ступень пространственно маневрирует для выхода на орбиту с требуемым наклонением (отличным от «базового», соответствующего азимуту запуска).
Перечисленные мероприятия могут временно ослабить проблему районов падения, но не позволяют решить ее кардинально. Для этого нужны принципиально новые технические решения. В рамках двухступенчатого носителя необходимым условием полного исключения районов падения (приземления) по трассе выведения, очевидно, является возврат первой ступени к месту старта.
Возвращаемая первая ступень может быть сконструирована как на ракетных, так и на авиационных принципах. Возможны различные варианты, например:
- возвращаемый ракетный блок вертикального старта, совершающий после отделения ракетодинамические маневры возврата и посадки;
- крылатый возвращаемый ракетный корабль (ВРК) вертикального старта, совершающий после отделения аэродинамический маневр разворота и обратный полет в крейсерском режиме с использованием воздушно-реактивных двигателей (ВРД) или в режиме планирующего спуска;
- возвращаемый самолет-разгонщик горизонтального старта, оснащенный маршевыми ВРД, совершающий возврат аналогично ВРК.
Аналогом возвращаемого ракетного корабля вполне можно считать орбитальный корабль (ОК) «Буран», который рассчитан на аварийный маневр возврата, сходный с номинальным режимом полета ВРК. Кроме того, на этапе создания ОК «Буран» отрабатывался вариант его возврата и посадки с использованием ВРД.
Вариант РН с возвращаемой многоразовой первой ступенью обещает экономические преимущества перед невозвращаемым, поскольку в таком варианте большая часть конструкции РН многократно используется при умеренной потере массы полезного груза от утяжеления первой ступени.
Двухступенчатый РН варианта 2 позволяет исключить падение отработавшей первой ступени, а вторая ступень, несущая полезный груз, выводится на орбиту. Однако отработавшие верхние ступени РН вносят существенный «вклад» в проблему космического мусора, кроме того, они не всегда полностью догорают при входе в плотные слои атмосферы и отдельные элементы конструкции достигают земной поверхности в практически непрогнозируемых точках.
Полное решение проблемы утилизации второй ступени можно обеспечить, как и для первой ступени, путем ее возврата с орбиты на Землю. Конструктивно такая ступень может выглядеть как орбитальный корабль системы «Спейс Шаттл», хотя будет включать не только маршевую двигательную установку, но и баки с топливом второй ступени. Типичным примером двухступенчатого ракетного носителя без падающих элементов конструкции является проект МТКК «Шаттл-2». Наконец, возможно интегральное (идеальное) решение проблемы отделяющихся элементов конструкции путем создания одноступенчатого полностью возвращаемого носителя.
Создание эффективных, полностью возвращаемых носителей, не требующих выделения зон падения отделяющихся частей, возможно только при существенном прогрессе в области перспективных технологий. В США, например, разрабатывается проект создания одноступенчатого национального аэрокосмического самолета. В проект заложены принципиально новая комбинированная многорежимная двигательная установка, включающая гиперзвуковой прямоточный контур со сверхзвуковым горением, новые конструкционные материалы (алюминиды титана, композиты с металлической матрицей и др.), активно охлаждаемые конструкции и другие «супертехнологии».
Другим решением проблемы, связанной с техногенным воздействием на окружающую среду на стартовом этапе выведения КА на орбиту, и проблемы сокращения районов падения отделяющихся частей РН по трассам пусков, являются плавучие космодромы. Такой космодром создан и успешно эксплуатируется. Плавучий космодром «Одиссей» состоит из гигантской полупогружной платформы (длиной 133 м, высотой 58 м и массой 65 тыс. т), судна управления Sea Launch Commander и судов обеспечения. Сам комплекс базируется в порту Лонг-Бич (Лос-Анжелос, США), а запуски осуществляются из акватории у острова Вознесения, который расположен непосредственно в Тихом океане.
Прорабатываются также проекты реализации воздушного старта, при котором РН лёгкого класса стартует в атмосфере на значительных высотах, куда она доставляется крупным грузовым самолётом. РН находится на борту самолёта в герметичном контейнере, внутри которого создаются необходимые условия (температура и газовая среда). При десантировании в районе старта РН выбрасывается из контейнера за счёт наддува его газом в полости за кормой РН. Контейнер при десантировании РН остаётся на борту. Районом запуска в этом случае м.б. и район над Мировым океаном.