В умах инженеров SpaceX и ее руководителя Илона Маска появлялись самые разнообразные и необычные идеи. Новое предложение кажется крайне смелым: гигантскую ракету Super Heavy планируется не приземлять на собственные опоры, а улавливать специальной конструкцией, расположенной над стартовым столом. Однако, при более глубоком рассмотрении, в этой идее гораздо меньше фантазии и гораздо больше практической целесообразности.
Недавно один из последователей Илона Маска задал вопрос в Twitter, правильно ли ему удалось визуализировать посадку Super Heavy. На это эксцентричный миллиардер ответил: «Мы намерены захватить первую ступень ракеты вручную, ухватившись за решетчатые рули». Это заявление вызвало широкий резонанс, поскольку ранее планировалось, что ускорение космического корабля Starship будет садиться, как и Falcon 9, на раскладные опоры.
Маск пояснил, что такой подход позволяет существенно сократить вес и стоимость опор, а также обеспечивает возможность оперативного перемещения ступени на стартовую позицию. Ведь в перспективе Super Heavy должны будут уметь взлетать всего через час после возвращения. Более никаких подробностей новой идеи ни у кого узнать не удалось. Так что в сети разгорелась масса дискуссий о реалистичности такого решения. А сложности, на первый взгляд, очевидны.
Размеры
Super Heavy существенно больше возвращаемой первой ступени от «рабочей лошадки» SpaceX. Высота ускорителя для Starship (диаметр составляет (72 метра) — это превышает общую высоту ракеты Falcon 9 вместе с обтекателем полезной нагрузки (70 метров). Диаметр Super Heavy отличается почти втрое — 9 метров против 3,6 метра. А полная масса при взлете и вовсе разнится на порядки: около 550 тонн для Falcon 9 и, ориентировочно, пять тысяч тонн для Starship вместе с ускорителем.
Благодаря этому, разработанная космическая система предполагает интенсивное использование с минимальным объемом технического обслуживания. Следовательно, ее конструкция обладает значительно большим запасом прочности, чем у Falcon 9. Вместе с тем, масса практически пустой Super Heavy при посадке. Таким образом, устройству для ловли ускорителя от Starship придется принимать на себя несоизмеримо более высокие нагрузки, чем если бы она рассчитывалась под первую ступень Falcon 9. И это, разумеется, если не учитывать требования к более высокой точности при посадке.
В теории все соответствует действительности, но на практике перспективная ракета SpaceX нельзя прямо сравнивать с уже эксплуатируемой. И дело даже не в радикально отличающемся предназначении, из которого вытекают столь разные габариты. Как минимум, можно вспомнить, что посадка первой ступени Falcon 9 — по сути, это было временное и экспериментальное решение. Его стали применять, следуя принципу о том, что кажущееся временным может стать постоянным».
Технологии
Используемые на Falcon 9 двигатели Merlin 1D+ не лучшим образом приспособлены для вертикальной посадки. Они обладают настолько высокой тягой для почти пустой возвращаемой ступени, что ее плавная посадка с удержанием постоянной скорости снижения невозможна. Фактически, ускорители Falcon 9 контролируемо падают в сторону посадочной площадки постоянно контролируя свою скорость и высоту. Момент включения двигателей подбирается таким образом, чтобы их тяга при дросселировании до минимальных значений точно скомпенсировала скорость снижения на высоте пары метров над поверхностью.
После прекращения снижения двигатели отключаются, а остаточная энергия рассеивается демпферами, расположенными в опорах. Как правило, этот процесс происходит почти одновременно. Продолжение работы двигателей, даже при минимальной тяге, может привести к повторному взлету ступени. Это обстоятельство накладывает определенные ограничения на точность посадки, поскольку электронные системы не способны корректировать положение аппарата в момент его почти полной стабилизации над целью.
В случае Super Heavy все будет несколько иначе. На этой ракете двигателей будет уже почти три десятка, причем не Merlin 1D+, а более современных и совершенных Raptor. Их тягой можно управлять с большей точностью. Кроме того, соотношение тяги к массе пустой ступени рассчитывается для достижения почти полной стабилизации в воздухе. В результате, ускоритель для Starship потенциально сможет при возвращении точно прицеливаться, чтобы захват его мог поймать.
Выгода
Исключение посадочных опор позволит повысить общую эффективность системы. Соотношение массы конструкции ракеты к массе топлива в баках напрямую влияет на то, какой груз при той же мощности двигателей можно вывести на орбиту. Четыре посадочные опоры, изготовленные из углеволокна и алюминия Falcon 9 суммарно весят более двух тонн. Какую массу должны будут иметь подобные конструкции для гораздо более тяжелой Super Heavy трудно представить. Предположительно — в 3-5 раз больше.
Не менее важным аспектом является создание ударной волны, возникающей при работе факелов, используемых для заправки двигателей на стартовой площадке. Raptor втрое мощнее, чем Merlin и во время огневых испытаний прототипов Starship уже происходило повреждение сопел. Если возвращаемая ступень будет поймана на некоторой высоте над землей или стартовым столом, подобная проблема даже не возникнет. Ударная волна не успеет сформироваться, потому что двигатели выключатся раньше. Либо она уйдет в специально предназначенные для этого гасители под стартовой конструкцией.
Остался еще один вопрос, касающийся взаимодействия с решетчатыми рулями. Эти аэродинамические поверхности обеспечивают ускорителю возможность выполнять маневры в условиях высокой плотности атмосферы. У Super Heavy они будут под стать габаритам ракеты и, соответственно, расчетные нагрузки ожидаются большие. Поэтому значительного усиления для процедуры ловли ступени может не потребоваться.
Выводы
В сущности, то, о чём рассказал Илон Маск в Twitter идея выглядит сумасшедшей только на первый взгляд. При более пристальном рассмотрении у нее есть все шансы стать полезным и эффективным решением. Ну а у всех любителей космонавтики будет возможность лицезреть очередное огненное шоу во время испытаний этого «ловца». Потому что, как показывает практика, у SpaceX не бывает тестов без фейерверка. И это замечательно.
Напомним, корабль Starhip и ускоритель (первая ступень) Super Heavy — это ключевые элементы многоразовой космической системы, способной доставлять на орбиту Земли грузы весом до ста тонн. Проект предусматривает широкое использование унифицированных компонентов, а по замыслу, система сможет совершать повторные запуски всего через несколько часов после посадки. В перспективе Starship сможет доставлять грузы и людей на Луну и Марс.
Двигателями оборудованы как корабль, так и его первая ступень Raptor, которые функционируют на топливной смеси кислорода и метана. Как горючее, так и окислитель находятся в переохлажденном сжиженном состоянии. Отличительной чертой Raptor является полная газификация компонентов топлива и закрытый цикл работы. А весь процесс разработки Starship с Super Heavy выполняется согласно итерационному подходу — прототипы создаются не дожидаясь результатов предыдущих испытаний. Конечно, это приводит к частым эффектным «незапланированным мгновенным разборкам» тестовых изделий. Зато позволяет радикально ускорить темпы развития проекта и его финальную стоимость.