Поскольку моей сферой интересов является все-таки в первую очередь история, я решил обратить внимание на "хорошо забытое старое" - нестандартные, необычные решения с зари космонавтики. И нашел несколько интересных возможностей...
* Использование композитного "надувного" бака - т.е. стенки которого не выполняют несущей функции, а жесткость поддерживается давлением топлива/окислителя внутри. Такая компоновка (использовавшаяся на МБР/РН "Атлас" и до сих пор используемая на разгонном блоке "Сентаур") позволяет свести вес, собственно, конструкции бака к минимуму.
Корпус (он же бак) "Атласа" делался из чрезвычайно тонких листов нержавеющей стали. Есть основания полагать, что современные композитные материалы могут позволить добиться еще большей эффективности.
* Одноступенчатая компоновка - да, это неэффективно, но это проще, чертовки проще! Не нужно мучиться с разделением ступеней в полете, с воспламенением двигателей второй ступени, тащить отдельную систему питания двигателей и управления. В конце концов, первое главное преимущество многоступенчатой схемы - это возможность сбрасывать массу опустевших баков... но эффективность этого преимущества напрямую зависит от того, насколько массивна конструкция баков. Если масса конструкции баков сведена к минимуму, эффективность ступенчатой компоновки снижается.
За примером подобного подхода далеко ходить не надо: тот же "Атлас" вполне себе вытаскивал сам себя на орбиту практически целиком. На Земле оставались только сбрасываемые боковые двигатели (игравшие роль ускорителей).
Американский спутник связи SCORE, запущенный в 1958 году, долгое время был крупнейшим искусственным объектом в Космосе - ибо он был встроен в конструкцию РН "Атлас", выведшей его на орбиту.
* Расширяющиеся сопла двигателя - как средство компенсировать снижение эффективности сопла с уменьшением атмосферного давления. Второе главное преимущество двухступенчатой схемы - это возможность использовать на второй ступени "вакуумные" сопла большого диаметра (более эффективные на высоте, чем узкие "атмосферные") сопла. Если мы отказываемся от второй ступени, придется это компенсировать.
Разумеется, можно попробовать реализовать систему со сбрасываемыми соплами "вложенными" одно в другое - но это не особенно эффективно. Существуют более интересные решения - например, искусственное сужение потока за счет направления в "вакуумное" сопло кольцевой струи сжатого забортного воздуха.
Концентрические баки (ВОЗМОЖНО) - не уверен вот в этом, очень не уверен, но у решения есть потенциал. Идея в том, чтобы расположить бак окислителя (жидкого кислорода) внутри бака топлива (керосина или метана). В результате баки ракеты как бы вложены один в другой.
Преимущества такой схемы:
- Простота подачи компонентов топливной пары к двигателю. Не нужно никаких длинных патрубков - донца бака окислителя и бака топлива находятся на одном уровне.
- Отсутствие необходимости в теплоизоляции бака окислителя. Окислитель окружен в качестве теплоизоляции многими тоннами топлива.
- Увеличение продольной прочности ракеты. Высота ракеты уменьшается, плюс двойная конструкция дает большую прочность.
Недостатки:
- Сравнительно большая сложность баков в изготовлении и тестировании (хотя, при современной технике это не такая уж глобальная проблема)
- В случае если внутренний бак окислителя дает течь, жидкий кислород немедленно встречается с топливом... с предсказуемыми последствиями для ракеты.
Главным недостатком является именно второй - высокая опасность любой утечки - именно поэтому я и рассматривают концентрические баки только как возможное решение.
Возвращаемые капсулы двигателей - одноразовые ракеты, это уже явно бесперспективно. Однако, выбранная компоновка одноступенчатой ракеты с предельно облегченным баком создает проблему: возвращать ее придется с орбитальных скоростей. А это сделать непросто. Если первая ступень того же "Falcon-9" набирает сравнительно небольшую скорость (и подвергается относительно небольшим термическим и динамическим нагрузкам), то нашей ракете придется выдерживать полноценный сход с орбиты.
Попробуем упростить задачу. Сам по себе бак особой ценности не имеет: им можно пренебречь. Будем спасать только двигатели. Они относительно компактны, способны выдерживать значительные нагрузки по определению.
Вполне реальным представляется поместить двигатель в капсулу с лобовым теплозащитным экраном, способным выдержать вход в атмосферу на орбитальных скоростях. После завершения разгона, в таком случае, двигатель просто отстрелится от бака и, пролетев по баллистической траектории, войдет в атмосферу. Разумеется (поскольку мы избавились от бака) использовать пропульсивную посадку с возвращением двигателя на космодром - как делает тот же "Falcon-9" - мы не сможем.
Соответственно, остается парашютная посадка в заранее выбранном квадрате. Возможны два варианта: либо приводнение соплом вверх с использованием надувных "поплавков", либо подхват двигателя в воздухе вертолетом/самолетом. Технически, это вполне реально. Например, двигатель РД-180, используемый на первой ступени РН "Атлас-V", весит (сухой) около 5500 кг. Тяжелый грузовой вертолет вроде Ми-10 может нести до 8 тонн груза на внешней подвеске.
Итак, что у нас получается? Одноступенчатая (возможно, использующая для отрыва сбрасываемые ускорители или даже сбрасываемые многоразовые двигатели) ракета-носитель с "надувными" (возможно, концентрическими) баками, и возвращаемой на парашютах многоразовой двигательной капсулой (с приводнением или подхватом в воздухе). Выглядит... достаточно интересно, не так ли?