Korduvkasutatav kanderaketisüsteem

Korduvkasutatav kanderaketisüsteem või korduvkasutatav kanderakett on kanderaketisüsteem, mida on võimalik kosmosesse lennutada enam kui ühel korral. Sellele vastandub ühekordselt kasutatav kanderaketisüsteem, mille kasutamine on piiratud ühe korraga.
Ühtegi täielikult korduvkasutatavat orbitaalset kanderaketti pole veel olemas. Korduvkasutatavuse eesmärgile kõige lähemale jõudis osaliselt korduvkasutatav Space Shuttle. Osa Space Shuttle'i süsteemist, sealhulgas põhimootoreid ja kahte tahkekütus-kiirendusraketti, kasutati järgmisel lennul uuesti, kuid alles pärast mitmekuiseid taastustöid lendude vahepeal. Space Shuttle'i välispaak ja koormuskanderaam asendati igaks lennuks uutega.
Arvatakse, et orbitaalsed korduvkasutatavad kanderaketisüsteemid hakkavad tulevikus pakkuma odavat ja töökindlat ligipääsu kosmosele. Korduvkasutatavus suurendab aga kanderaketisüsteemi massi. Näiteks on vajalik mittekuluv orbiidilt laskumise ablatsioonkaitse ja arvatavasti ka sõiduki tugevam konstruktsioon, mis peaks vastu korduvatele lendudele. Kuna kogemused taoliste sõidukitega seni puuduvad, siis pole teada ka selliste süsteemide tõelised kulud ning töökindlus.

Üheastmeline

Üheastmelise orbiidile lennutatava (SSTO) kanderaketi ehitamiseks on kaks lähenemisviisi. Tsiolkovski valemi järgi peab SSTO-sõidukil olema suur massi suhe. Massi suhe on antud juhul defineeritud kui kütust täis raketi mass jagatud kütusest tühja raketi massiga.
Üks viis massi suhte suurendamiseks on vähendada tühja raketi massi, kasutades selle ehitamisel kergeid konstruktsioonimaterjale ja suure tõhususega mootoreid. Antud lähenemise puhul on hoolduskulud tavaliselt kõrged, sest taaskasutatava kanderaketi komponente tuleb nende töökindluse säilimiseks hooldada, mis teeb taaskasutamise kalliks. Pole selge, kas üheastmeline kanderakett oleks suuteline kasulikku lasti orbiidile toimetama, sest raketi kandevõime varu on väike. Samuti tähendab kanderaketi kerge kaal raketi väikeseid mõõtmeid, mis omakorda tähendab väikest kasulikku lasti, suurendades sellega orbiidile toimetatud kasuliku massi kilogrammi hinda.

Kahe- või enamaastmeline

Kaheastmelise kanderaketi loomiseks on vaja välja töötada kaks eraldiseisvat sõidukit ning selgitada välja nendevahelised vastasmõjud raketistardi ajal. Tavaliselt on kanderaketi teine aste esimesest astmest 5–10 korda väiksem, ent hüpoteetilise risttoitega süsteemi puhul on kõik sõidukid sama suurusega.
Lisaks sellele peab olema võimalik sõiduki esimene aste stardipaika tagasi toimetada, kus seda uuesti kasutada saaks. Selle saavutamiseks nähakse tavaliselt ette niisugust starditrajektoori, mille korral raketi esimene aste ei jõua stardipaiga kohalt või selle lähedusest kaugemale, või väikeste atmosfääriõhku kasutavate mootorite kasutamist astmel, mille ülesandeks on aste tagasi lennutada, või esimese astme kätte saamist stardisuunas kaugemal ja selle muul viisil tagasi toimetamist. Viimane variant tähendab enamasti astme ookeanil maandumist ja laevaga tagasi toomist. Enamiku nende meetodite rakendamine toob kaasa mõningase efektiivsuskao raketi kasuliku lasti kandevõime osas, ehkki stardisuunas kaugemal astme kätte saamise korral võib efektiivsuskadu olla väike.
Teise astme tagasi saamist nähakse üldjuhul ette pärast seda, kui aste on teinud orbiidil Maa ümber ühe või paar ringi ja atmosfääri taassisenenud.

Risttoitega süsteem

Risttoitega süsteemis asetsevad kaks või kolm samasugust raketiastet üksteise kõrval ja raketikütuse põlemine toimub paralleelselt. Orbiidile jõudva astme kütusepaagil ei lasta tühjeneda, kiirendusrakettide kütust kasutatakse nii kiirendusrakettide kui ka orbiidile jõudva raketiastme mootorite käitamiseks. Kui kiirendusrakettides kütus lõppeb, siis heidetakse need küljest ja (tüüpiliselt) lauglevad pehmeks maandumiseks maapinnale tagasi. Süsteemi eeliseks on see, et astmete massi suhe väheneb olulisel määral selle tõttu, kuidas risttoide raketivalemit muudab.
Kahe risttoitega astme puhul ; kolme risttoitega astme puhul ; kus  on massi suhe ja  on eriimpulss.
Lähenemise puuduseks loetakse seda, et eraldi orbiidiastme ja kiirendusraketiga või mõlemat funktsiooni täitva samasuguse raketiastmega kanderaketisüsteem võib langetada kanderaketi jõudlust ja töökindlust ning viia võimaliku kulusäästu nulli. Samas on kasuliku lasti orbiidile toimetamise kulu vähendamine raketi maksimaalse jõudluse arvel risttoitega süsteemi põhiloogikaks. Samuti võib kahe või kolme aerodünaamiliste kandepindadega astme kanderaketis kõrvuti asetamine keeruline olla. Optimistliku vaate kohaselt tähendab madalam massi suhe arenduskulude vähenemist, isegi juhul kui astmed on erineva ehitusega. Ehkki paljude lennusõidukite konstruktsioonid on võrreldes nende algsete loojate kavatsustega tundmatuseni muutunud (mille parimaks näiteks võib lugeda lennukit Boeing 747), näitab hävituslennuki F-35 aeglane ja vaevaline sünd, et alati pole taoline paindlikus garanteeritud.
Plaani järgi peaks risttoide mängima SpaceX-i kanderaketi Falcon Heavy kavandis olulist rolli. See oleks ka üks peamistest põhjustest miks antud kanderakett suudab toimetada orbiidile ligi neli korda sama palju kasulikku lasti kui Falcon 9 v1.1.

Horisontaalne maandumine

Horisontaalse maandumise korral vajab lennuseade tiibasid ja telikut (välja arvatud veepinnale maanduvad lennuseadmed). Niisugusel juhul moodustavad tiivad 9–12% maanduva sõiduki massist, mille võrra suureneb stardimass ja/või väheneb kasulik last.
Atmosfääri sisenemine ja lend üleheli- ja allahelikiirusel esitavad sõidukile mõnevõrra üksteisega vastuolus olevaid nõudeid, mida on püütud lepitada tõstejõudu arendava keha (inglise keeles lifting body) disainiga; sama otstarvet kannab Space Shuttle'i kolmnurkse kujuga deltatiib.

Vertikaalne maandumine

Üks lähenemine vertikaalsele maandumisele on kasutada langevarje, maandudes kas ookeanile või väikeste maandumisrakettmootorite abil maapinnale (nagu Sojuz).
Teine võimalus on pidurdada rakett atmosfääri madalas osas allahelikiiruseni ja teha siis rakettmootori abil "pehme maandumine". See tähendab, et umbes 10% sõiduki maandumiskaalust peab moodustama kütus.
Antud lähenemist on kasutanud ettevõte McDonnel Douglas, kelle katserakett DC-X maandus katsetuste käigus pärast umbes 3,1 kilomeetri kõrgusele tõusmist. Samuti on seda teinud Blue Origin, kes 2015. aasta novembris maandas esimesena kosmoses (üle 100 km maapinnast) ära käinud suborbitaalse kanderaketi New Shepard, ja SpaceX, kes maandas 2015. aasta detsembris orbiidile lasti toimetanud kanderaketi Falcon 9 esimese astme.
Veel üks võimalus on kasutada maandumiseks autožiiro või helikopteri rootorit. Selle lähenemise korral peab arvestama, et umbes 2–3% sõiduki maandumiskaalust moodustab rootor.
Seda lähenemist katsetas ettevõte Rotary Rocket oma atmosfäärisiseste katsete sõiduki Roton juures 1990. aastate lõpus.

Horisontaalne start

Horisontaalselt startiv lennuseade vajab õhku tõusmiseks tiibasid. Enamasti näevad kavandid orbiidile jõudmiseks mõeldud sõidukil ette kütusepaake sisaldavate tiibadega konstruktsiooni. Umbes 9–12% sõiduki stardimassist moodustavad tiivad.

Vertikaalne start

See on klassikaliste rakettide tavapärane startimise viis. Rakettidele sobib see hästi, sest nende tõukejõu ja massi suhe on väga kõrge (umbes 100).

Atmosfääriõhku kasutavad mootorid

Atmosfääriõhku kasutavad mootorid tarbivad üles tõusmise ajal oksüdandina atmosfääriõhku. Kõige tuntum neist on scramjet-mootor, kuid on loodud ka turboramjet-mootorite, vedelõhutsükliga (inglise keeles Liquid Air Cycle Engine, LACE) mootorite ja eeljahutusega reaktiivmootorite kavandeid.
Atmosfääriõhku tarvitava mootori suurim võimalik kiirus jääb orbitaalkiirusest kaugele maha (scramjet'id arendavad umbes 15-kordset helikiirust, teised nimetatud mootorid 5–6-kordset helikiirust); puudujääva 10–20 Machi lisamiseks on vaja rakettmootorit.
Üks suur atmosfääriõhku kasutavate mootorite väljakutse on termiliste tingimuste kontrollimine. Kui tavalised raketid lendavad lennu esimeses etapis järsu nurga all üles, et õhutakistuse mõju minimeerida, siis scramjet'id lendavad sihilikult suurel kiirusel läbi suhteliselt tiheda atmosfääri, mistõttu sõiduki kere kuumeneb ülikõrgele temperatuurile. Teist tüüpi mootorite kasutamisel pole kuumenemisega seotud probleemid nii suured, kuid nõuavad ikkagi vastavaid disainilahendusi.

Vesinik

Sageli eelistatakse kütusena vesinikku, kuna sellel on kõrgeim eriimpulss. Kuna vesinik on madala tihedusega ja seda peab hoidma ülimadalal temperatuuril (−252,87 °C), siis tähendab see, et raketiastme kütusepaagid, pumbad ja torud peavad olema väga tugevad ning kütus peab olema ümbritsevast keskkonnast hästi isoleeritud. See suurendab raketiastme mõõtmeid, kaalu ja keerukust ning nullib suure osa vesiniku kui raketikütuse eelistest.
Sellele vaatamata on vesinikkütust kasutava raketiastme mass koos kütusega (inglise keeles wet mass) kergem kui samasuure kasuliku lastiga tihedat raketikütust kasutava astme mass, mis võib anda võimaluse tiibade lisamiseks.
Vesinikku kasutatakse selle kõrge eriimpulsi tõttu sageli teise raketiastme kütusena.

Tihe kütus

Vahel eelistatakse tihedat kütust – ehkki see tähendab raketiastme suuremat stardimassi, on kütusepaakide ja -pumpade mass vesinikkütust kasutava astme omadega võrreldes märksa väiksem. Vertikaalselt startivas raketis kasutatakse tavaliselt tihedat kütust, samuti sobib see horisontaalselt maanduvatele lennusõidukitele, sest kütusest tühjana on sõiduk kergem kui samaväärne vesinikkütust kasutav sõiduk. Mittekrüogeenset tihedat kütust saab ka tiibades asuvates kütusepaakides hoida.
Erinevates projektides on püütud olemasolevate kütuste baasil luua tihendatud kütuseid. Siia alla kuuluvad poolvedelate krüogeensete kütuste (vesinik, propaan) loomise tehnoloogiad (inglise keeles slush technologies). On uuritud üht teist tihendamise meetodit, mis kasvataks ka kütuste eriimpulssi: pulbristatud süsiniku, alumiiniumi, titaani ja boori lisamist kütusele. Need lisandid tõstavad kütuse eriimpulssi ja kasvatavad selle tihedust. Näiteks katsetati Prantsuse raketiarendusprogrammis ONERA boori koos petrooleumiga geelsuspensioonis, samuti parafiinis. Katsetes õnnestus demonstreerida eriimpulsi 20–100% kasvu kütuse mahu kohta.

Kolmekomponentne kütus

Tiheda kütuse kasutamine on optimaalseim raketistardi esimeses etapis, sest suur tihedus annab rakettmootorile parema tõukejõu/massi suhte. See tähendab, et raketi kiirendus on suurem, see jõuab varem orbitaalkiiruseni ja gravitatsioonikaod on väiksemad.
Kuid orbitaalkiiruseni jõudmiseks on vesinik parem raketikütus, sest kütuse mass on kõrge eriimpulsi tõttu väiksem, mis vähendab stardimassi.
Seetõttu põletavad kolmekomponentset raketikütust kasutavad raketid esmalt tihedat kütust ja lähevad seejärel üle vesiniku põletamisele. (Teatud mõttes tegi seda ka Space Shuttle oma tahkekütusrakettide ja peamootorite kombinatsiooniga, kuid kolmekomponentse kütusega raketid kannavad oma mootorid tavaliselt orbiidile.)

Kulu kütusele

Kõigil tänapäevastel kanderakettidel on kulu kütusele võrreldes kuluga kanderaketi konstruktsioonile või riistvarale marginaalne. Kui korduvkasutava kanderaketi loomine peaks õnnestuma, siis kasutataks riistvara palju kordi, mis toob kulu riistvarale alla. Lisaks sellele on korduvkasutatavad raketid enamasti raskemad ja nende kütusekasutuse efektiivsus on väiksem. See võib viia kütusekulude osakaalu kasvuni, kuni need muutuvad märkimisväärseks.

Stardiabi

Kuna raketivalemi järgi on raketi delta-v suhe kütuse massi ja mootori kogumassi suhtesse (inglise keeles mass fraction – 'massiosa') mittelineaarne, siis toob delta-v väike vähenemine kaasa suure vähenemise vajaminevas massiosas; ka kõrgemale viidud raketistardist on kasu.
Paljud süsteemid näevad ette lennuki kasutamist raketi algkiiruse ja -kõrguse tõstmiseks. Kanderaketti veetakse kas slepis, kantakse lennuki küljes või lihtsalt tangitakse õhus.
On pakutud ka teistsuguseid stardiabivahendeid, nende seas maapinnal asuvad kiirendusrelsid või magnethõljukid, kõrgel (80 km) asuvad maglev-süsteemid, näiteks heitesilmus (inglise keeles launch loop), või veel eksootilisemad vahendid, näiteks kõrgel asuvad raketilennutamisköidikud (inglise keeles tether propulsion systems) või isegi kosmoselift.

Orbiidilt laskumise soojuskaitsekiht

Robert Zubrin on öelnud, et rusikareeglina peab 15% maandumissõiduki massist olema aeropidurduse soojuskaitsekiht.
Enamasti nähakse korduvakasutatavate kanderakettide soojuskaitsekihina mingit sorti keraamilisest või süsinik-süsinik-komponentidega materjalist valmistatud soojuskaitsekihti, või ka metallist soojuskaitsekihti (milles kasutatakse kas vesijahutust või mõnd haruldast muldmetalli).
Osades kavandites on soojuskaitsekihid ühekordse kasutusega ablatiivsest materjalist; sel juhul võidakse soojuskaitsekiht pärast atmosfääri sisenemist ja enne maandumist küljest heita.
On leiutatud uuem soojuskaitsesüsteemi (inglise keeles Thermal Protection System, TPS) tehnoloogia, mis on mõeldud mandrivaheliste ballistiliste paljude eraldisihitavate lõhkepeadega rakettide (inglise keeles ICBM MIRV) stabilisaatorite jaoks. Kuna sellised lõhkepead peavad sisenema atmosfääri kiiresti ja säilitama lennukiiruse kuni merepinna tasemeni, siis on antud vajadust silmas pidades töötatud välja nn SHARP-materjalid, milleks on tavaliselt hafniumdiboriid ja tsirkooniumdiboriid, mis taluvad temperatuuri üle 3600 °C. SHARP-materjalidega varustatud sõidukid võivad lennata 30 km kõrgusel kiirusel 11 Machi ja merepinna tasemel kiirusel 7 Machi. Antud materjalid võimaldavad luua teravate servadega konstruktsioone, misjuhul plasmalööklainet, mis blokeerib sõiduki orbiidilt laskumisel raadioside, ei teki. SHARP-materjalid on väga vastupidavad ega vaja pidevat hooldust, nagu näiteks ränidioksiidist plaadid, mida kasutati Space Shuttle'i soojuskaitsekihina ja mille hoolduskulu ulatus üle poole kogu kosmosesüstiku hoolduskulust ja -ajast. Ainuüksi hoolduse pealt kokkuhoitav kulu oleks oluline põhjus SHARP-materjalide kasutamiseks korduvkasutatava kanderaketi konstruktsioonis, eriti kui pidada silmas, et just suur lennusagedus muudab raketistardi kulud madalaks.

Massi kasv

Korduvkasutatava sõiduki mass kandevõime kohta on peaaegu vältimatult suurem kui samasugustest materjalidest valmistatud ühekordse kanderaketisüsteemi mass.

Arenduskulud

Korduvkasutatava süsteemi arenduskulud on tõenäoliselt kõrgemad ühekordselt kasutatava raketi omadest, sest korduvkasutatavus eeldab, et sõiduk peab vastu pidama enam kui ühele kasutuskorrale. See tähendab rohkemaid teste sõiduki arendamisel. Vastupidavuse tõstmise kõige lihtsamaks viisiks on massi suurendamine, kuid sellega kaasneb raketi tõhususe vähenemine. Tekib vajadus tõhususe tõstmiseks mõnel muul viisil läbi uurimis- ja arendustegevuse. See suurendab kulusid uurimis- ja arendustegevusele, mis lõppkokkuvõttes tõstab kanderaketisüsteemi hinda.

Hoolduskulud

Senised kogemused näitavad, et korduvkasutatav kanderaketisüsteem nõuab põhjalikku hooldust. Space Shuttle'it tuli lendude vahelisel ajal ulatuslikult hooldada, peamiselt hooldati kosmosesüstiku ränidioksiidist valmistatud kuumuskilbi plaate ja suure võimsusega vedelhapnikku/vedelvesinikku tarvitavaid peamootoreid. Mõlemate süstiku alamsüsteemide korral oli vajalik üksikasjalik ülevaatus, taastamine ja osade välja vahetamine, mis kokku moodustas 75% kosmosesüstiku hoolduskuludest. Hoolduskulud ületasid kosmosesüstiku konstrueerimiseelseid planeeritud hoolduskulusid nii suurel määral, et Space Shuttle'i missioonide maksimaalne igaaastane arv vähenes veerandini kavandatust. Samuti oli orbiidile toimetatud kasuliku lasti hind neljakordne võrreldes algselt planeerituga, mis muutis kosmosesüstiku kasutamise lasti kosmosesse toimetamisel majanduslikult ebaotstarbekaks kõige muu jaoks peale suurimate lastide, mille puhul konkurents puudus.
Edu saavutamiseks korduvkasutatavate kanderaketisüsteemide vallas on vaja õppida Space Shuttle'i juures tehtud vigadest ja leida uued lahendused kuumuskaitsekilpide ning raketimootorite tehnoloogias.

Tööjõud ja logistika

Kosmosesüstiku programmi käigushoidmiseks oli vaja enam kui 9000 töötajast koosnevat armeed, kelle ülesandeks oli kosmosesüstikute hooldamine, taastamine ja uuesti kosmosesse lennutamine. Töötajate arv ei sõltunud süstiku lendude sagedusest.
Tööjõukulu tuleb jagada lendude koguarvuga aastas. Mida vähem lende, seda kõrgemaks tõuseb kulu ühe lennu kohta. Üks olulisemaid aspekte korduvkasutatava kanderaketisüsteemi majandusliku otstarbekuse tagamisel on tööjõukulude optimeerimine. Näideteks neid arvestava lähenemisega projektidest on DC-X Delta Clipperi projekt ja SpaceX-i Falcon 1 ning Falcon 9 programmid.
Üks tegur, mis töötab tööjõukulude vähendamise vastu, on valdkonna riigipoolne regulatsioon. NASA ja USA õhujõud Ameerika Ühendriikides, samuti nagu valitsusasutused teistes riikides, on raketitööstuse peamised kliendid ja arendustööde rahastajad. Valitsusasutuste nõuded järelevalve, kvaliteedi, ohutuse ja dokumentatsiooni osas tõstavad kanderaketisüsteemide arendus- ja tegevuskulusid.