Тактика нового «рыцаря многоразовости» — Илона Маска — базируется на нескольких положениях. По его мнению, до 70% стоимости пуска классической ракеты- носителя приходится на первую ступень, и «спасти» ее проще, чем остальные компоненты. Поскольку первая ступень отделяется при скоростях, соответствующих числам М=6—10, для ее защиты от тепловых потоков при возвращении в атмосферу в ряде случаев можно обойтись без экзотических технологий и дорогостоящих материалов. Спасать вторую ступень, вносящую в стоимость пуска не более трети, надо как минимум с околокруговой орбиты, что на порядок сложнее и дороже. На данном этапе, по мнению Маска, с этим можно подождать. Из таких соображений и родилась концепция частично многоразовой ракеты-носителя.

Как спасать ракетную ступень? Прежде всего, нужно дать ей «пережить» вход в атмосферу после возвращения из баллистического полета. Во-вторых, ее нужно мягко опустить на Землю. Если отбросить экзотику типа роторной посадки, наиболее проработанными представляются три способа: парашютный, по-самолетному (с помощью крыла) и вертикальное реактивное приземление. Каждому способу присущи достоинства и недостатки.

Парашют прост и весит мало, но его площадь прямо пропорциональна спасаемой массе и конечной скорости приземления, поэтому для первых ступеней больших ракет оказывается крайне велика. Вследствие невысокой точности парашютная посадка для американских ракет практически неизбежно приходится в океан. Приводнение для тонкостенных ступеней и жидкостных ракетных двигателей крайне нежелательно из-за проблем с коррозией под воздействием морского воздуха и соленой воды. Кроме того, спасенную ступень надо еще как-то доставить к месту повторного старта.

«Самолетный» способ обеспечивает точную посадку (например, на аэродром на острове вдоль трассы выведения ракеты), приемлемые механические и тепловые нагрузки. Но крыло, шасси и оперение не только дорого стоят (пример — Space Shuttle) — это дополнительная инертная масса, которая не помогает при выведении на орбиту и «съедает» львиную долю полезной нагрузки.

Маск изначально заявил, что «крыльям в космосе не место». При попытках спасения первых ступеней легкой ракеты-носителя Falcon 1 (2006—2009 гг.) разочаровался он и в парашюте. В результате, ставка была сделана на реактивную посадку.

Идея эта не нова: еще в начале 1960-х компания Douglas предлагала одноступенчатый орбитальный носитель вертикального взлета и посадки многократного использования на базе технологий ракеты Satum 5. Технически вертикальная посадка на маршевых ракетных двигателях была опробована два десятилетия назад в многоразовом демонстраторе DC-X (Delta Clipper Experimental Vehicle): в 1993—1996 гг. аппарат совершил 11 экспериментальных полетов, в ходе которых взлетал, зависал в воздухе, перемещался и маневрировал, а затем совершал реактивное приземление.

Ракета-носитель Falcon 9 c исследовательским спутником Jason 3 накануне старта 17 января 2016 г. с космодрома на авиабазе Ванденберг, штат Калифорния

Компания SpaceX начала отработку данной техники на своем полигоне в Макгрегоре (шт. Техас), где в 2012—2013 гг. выполнил 8 полетов полномасштабный демонстратор Grasshopper («Кузнечик»), имитирующий первую ступень ракеты Falcon 9. Имея всего один двигатель и примитивное посадочное устройство, он взлетал и совершал вертикальную посадку. Пришедший ему на смену F9R-Dev1 был построен на базе стендовой первой ступени Falcon 9 v1.1, оснащался уже тремя двигателями и четырьмя раскрывающимися посадочными опорами. В апреле—августе 2014 г. он четырежды стартовал успешно, отрабатывая зависание и маневрирование и поднимаясь на высоту 1000 м. Пятый полет 22 августа 2014 г. завершился аварией: из-за сбоя системы управления наследник «Кузнечика» стал уходить из дозволенной зоны и был уничтожен в воздухе системой аварийного подрыва по команде с земли.

В дальнейшем мягкая посадка отрабатывалась в «штатных» миссиях. После выведения полезных грузов на орбиту первая ступень ракеты Falcon 9 совершала либо имитационное приводнение, либо реальное приземление на палубу специально оборудованного автономного судна ASDS (Autonomous Spaceport Drone Ship), оснащенного подруливающими моторами, которые обеспечивали точное позиционирование в океане, в т. ч. при плохой погоде.

Ракетчики Илона Маска дважды пытались посадить ракету на такую баржу. В первый раз, 10 января 2015 г., ступень села слишком жестко (был исчерпан запас гидравлической жидкости системы управления аэродинамическими рулями) и взорвалась. Вторая попытка, 14 апреля 2015 г., снова прошла не так гладко, как хотелось: из-за избытка боковой скорости ступень сломала две посадочные «ноги» и опрокинулась. Оба случая признавались частично успешными (в реальности — неудачными), и судно ASDS доставляло в порт лишь жалкие обломки ступени...

При запуске 22 декабря 2015 г. было решено приземлить первую ступень на сушу, в посадочной зоне LZ-1 (Landing Zone 1), специально оборудованной примерно в 10 км от места старта на мысе Канаверал (шт. Флорида, восточное побережье США).

С точки зрения энергетики ракеты посадка с возвращением к месту старта крайне невыгодна: после выполнения основной задачи выведения первой ступени приходится полностью гасить горизонтальную составляющую скорости (более 1 км/с), а затем фактически лететь по баллистической траектории назад. Однако при этом резко упрощаются процедуры перемещения приземлившегося изделия к месту повторного запуска или проведения ремонтно-восстановительных работ. Да и совершить посадку на устойчивую земляную или бетонированную площадку на суше проще, чем на покачивающуюся палубу судна в океане. Тем не менее, от посадки в океан (на плавучую платформу или остров по трассе выведения) не уйти — иначе невозможно минимизировать потери массы полезной нагрузки.

Возвращаемая первая ступень ракеты-носителя Falcon 9 за мгновения до успешного приземления на посадочную площадку на мысе Канаверал, штат Флорида, 22 декабря 2015 г.

Циклограмма пуска и возвращения первой ступени ракеты-носителя Falcon 9

В этот раз задачу упрощало то, что ракета несла в космос 11 спутников Orbcomm OG2 общей массой чуть более 2 т (при штатной грузоподъемности свыше 13 т), и траекторию выведения на орбиту высотой свыше 600 км можно было сделать достаточно крутой, чтобы первая ступень не улетала слишком далеко от места пуска.