Первые испытания Starship запланированы на апрель. Первый испытательный запуск всегда сопряжен с неопределенностью. В данном случае предстоит проверка космической системы, принципиально новой по своей архитектуре и масштабу. Starship – это носитель, обладающий рекордной массой и габаритами, а его посадочная схема кардинально отличается от существующих и ранее не была реализована. Какие этапы включает в себя первый испытательный пуск и как он пройдет? Naked Science представляет подробный анализ планируемых сценариев полета.
Полетная схема предстоящего запуска
Предстоящее испытание имеет одновременно понятный и оригинальный сценарий. Его основные этапы включают запуск, спуск пустой первой ступени, вывод на низкую опорную орбиту, совершение на ней почти полный оборот, торможение и переход к посадке, и приземление на водную поверхность. В схеме полета объединены решения, разработанные в разное время, и совершенно новые элементы, которые будут выполнены впервые. Это делает предстоящее испытание весьма увлекательным, а результат – непредсказуемым.
Запуск ракеты-носителя, отличающейся рекордной массой и габаритами, будет осуществлен со стартового комплекса орбитальной площадки, расположенной на территории Starbase компании SpaceX на побережье Мексиканского залива, в районе Бока-Чика, штат Техас, США. Эта миссия также станет первой проверкой стартового оборудования. Траектория полета после старта, скорее всего, не будет иметь особенностей до момента разделения ступеней (170 секунд после старта, параметры разделения пока не определены). После этого первая ступень Super Heavy совершит посадку, приземлившись в акватории Мексиканского залива.
Starship будет продолжать разгон и набор высоты до достижения круговой низкой опорной орбиты. Угол пуска составит приблизительно 100-110 градусов, что обеспечит небольшое отклонение орбиты. Проекция траектории на землю пройдет в направлении востока и юго-востока между Флоридой и Кубой, затем опустится к экватору, обойдет южное полушарие и поднимется обратно в северное. Завершив полный оборот, Starship приблизится с северо-запада к району посадки. После торможения он начнет снижение и войдет в атмосферу, чтобы приземлиться в океане, расположенном в 100 километрах к северо-западу от острова Кауаи, самого северного острова Гавайского архипелага.
Общая схема полета ясна, однако большинство деталей остаются неизвестными: не определены ни дальность, ни скорость, ни перегрузка, ни высота, ни особенности конструкции. Причины и обоснование принятых решений, если они не были разъяснены разработчиками, остаются лишь предположениями. К тому же, периодически появляются новые сведения, которые уточняют или изменяют сложившееся представление. Поскольку у нас, как и у других, нет достоверных и точных данных, мы намерены рассмотреть предстоящие испытания с различных точек зрения, воздерживаясь от категоричных заявлений и однозначных оценок.
Некоторые аспекты предстоящего запуска можно проследить в предыдущем опыте, в то время как другие реализуются впервые. При этом все они оцениваются по-разному, и некоторые вызывают острые споры
Является ли орбита орбитой, даже если она не является замкнутой?
Обсуждения начинаются с вопроса о том, можно ли считать орбитальный участок испытательного полета Starship полноценной орбитой, если аппарат не совершит полный оборот. С точки зрения динамики полета не принципиально, сколько времени или какое расстояние аппарат преодолеет на орбите, главное – это состояние орбитального движения, которое и определяет, движется ли аппарат по орбите и по какой именно. В космической практике довольно часто встречаются случаи неполного оборота по орбите. К таким случаям, например, относится использование низких опорных орбит. Опорной называют орбиту, которая используется для перехода на другую, более подходящую, в нужный момент. Их обычная высота в России составляет 200 километров, в США – 185 километров (около 100 миль). Среди всех рабочих орбит здесь наблюдается самая высокая скорость полета и наиболее плотная атмосфера (хотя еще более низкие орбиты характеризуются еще меньшей плотностью, но уже являются неустойчивыми), поэтому аэродинамическое торможение весьма ощутимо.
Часто здесь нет необходимости совершать полный оборот — после него местная баллистическая обстановка обычно повторяется: те же точки орбиты, высота и скорость. Не делают оборот и на переходных орбитах, соединяющих начальную и целевую орбиты — достаточно простого перехода. Геопереходные орбиты, используемые для выхода на геостационарную орбиту, применяются без полного оборота. Это также опорные орбиты, по которым осуществляется перелет до следующего включения двигателя, формирующего из этой точки требуемый эллипс переходной орбиты: например, необходимо просто сместиться от экватора до полюса за четверть оборота для достижения заданной географической точки включения двигателя. InSight впервые был отправлен на Марс с полярной орбиты. В качестве опорной он прошел по ней из Вандерберга в Калифорнии на юг до Антарктиды и тамошнего полярного второго включения «Центавра» для перехода на гиперболическую траекторию. Свой дальнейший перелет к Марсу InSight также выполнил без полного оборота вокруг Солнца, а только до сближения с Марсом.
Именно динамика движения по орбите вызывает наибольший интерес, поскольку она позволяет оценить эффективность управления полетом и функционирование систем в условиях невесомости. Невесомость может быть достигнута и на суборбитальной траектории, однако на ней не будет осуществлена полная отработка энергии, необходимой для орбитального запуска. Что, если на скорости 7,7 километра в секунду, непосредственно перед выходом на орбиту, возникнут какие-либо неполадки? А суборбитальные скорости значительно ниже. В таком случае, режим полета в диапазоне между суборбитальной и орбитальной скоростью останется не протестированным.
Похожие полеты полвека назад
Предстоящее испытание Starship имеет много общего с полетами ракеты Р-36орб, получившей индекс 8К69. Эта ракета, являвшаяся типом межконтинентальных, выводила головной блок на низкую околоземную орбиту. Головной блок 8Ф021 был уникальным: он сочетает в себе функции боевого и орбитального, а ракета, соответственно, выступала в качестве единственного боевого носителя.
Вопреки распространенному мнению, головная часть Р-36орб не находилась на орбите. Это было бы неэффективно, поскольку изменить траекторию орбиты для быстрого прохождения над наземной целью невозможно. При размещении на орбите ожидание прохождения головной части до цели может занять до одного полного оборота – то есть до полутора часов. Это не столь оперативно, как 30-50-минутный полет межконтинентальной ракеты.
Ракета Р-36орб осуществляла пуск с боевой стартовой позиции в процессе нанесения удара, функционируя как обычное боевое оружие. Вывод головной части на низкую опорную орбиту, являющуюся боевой, позволял значительно увеличить дальность ее полета до противоположной точки земного шара. Дальнейшие действия, в сущности, не требовались, поскольку цель уже оказывалась в непосредственной близости, хотя и с другой стороны; проще было изменить азимут пуска на 180 градусов, что позволило сократить время полета. Орбитальная скорость превышает суборбитальную, поэтому головная часть, находящаяся на орбите, достигнет цели быстрее, чем обычные боеголовки, и эта разница будет увеличиваться с ростом дальности. Масса головной части была ограничена до 1700 килограммов, чтобы обеспечить разгон до орбитальной скорости.
Отсутствие информации о моменте и величине импульса, необходимого для выхода с орбиты, препятствует прогнозированию места падения. В отличие от обычных баллистических траекторий, предсказать его невозможно. Существует также вероятность полета по вытянутой траектории, охватывающей большую часть оборота, с проникновением на территорию потенциального противника с наиболее уязвимой стороны, например, со стороны Антарктиды. Однако такая протяженная траектория предполагает длительное время полета и может вызвать сомнения в эффективности боевого применения.
После вывода на орбиту головной блок ракеты Р-36орб выполнял роль космического аппарата. Помимо боевой части, состоящей из термоядерного заряда и блока управления, на борту находилась инерциальная система управления полетом, включающая подсистемы ориентации и стабилизации. Дополнительно, текущая высота определялась радиовысотомером в начале и конце орбитального участка. На основе полученных данных рассчитывался тормозной импульс и время работы двигательной установки, являвшейся частью тормозной ступени головного блока.
Приближаясь к намеченной области, она сходила с опорной орбиты, «не вверх, а вниз» (А. Макаревич). Выполнялся разворот двигателя в направлении движения и выдавался тормозной импульс, который переводил головную часть на суборбитальную траекторию с перигеем, расположенным глубоко под Землей, и точкой пересечения с поверхностью в районе цели. Затем следовал баллистический вход в атмосферу, аналогичный тому, что у обычной межконтинентальной ракеты.
Ракета Р-36орб впервые поднялась в воздух для проведения испытаний в декабре 1965 года, прошло 58 лет. После трех лет летных испытаний, включавших четыре аварийных пусков и 15 успешных (что является обычной картиной при испытании любых представителей семейства Р-36), ракетный комплекс был принят на вооружение. Он находился на боевом дежурстве до 1983 года, когда 40 лет назад был снят с боевого дежурства в соответствии с договором об ограничении стратегических вооружений ОСВ-2. Следовательно, траектория полета Р-36орб представляет собой весьма близкую копию предстоящего полета Starship, включающую один неполный оборот на низкой опорной орбите. Заметное отличие может заключаться лишь в части входа в атмосферу и сопутствующей аэродинамике. В этой области эстафету аналогов по движению в верхних слоях атмосферы может перехватить орбитальный корабль «Спейс Шаттл», а в нижнем гиперзвуковом и сверхзвуковом режимах – экспериментальный Х-15.
Спуск и торможение в атмосфере
Ранее сверхзвуковые летательные аппараты, сопоставимые по размерам со Starship, не совершали полеты в верхней стратосфере и на гиперзвуковых скоростях. Параметры длины, размаха и массы (в метрах-метрах-тоннах) у Starship составляют 50-18-250. Шаттл, например, с его характеристиками 37-24-86, был меньше и легче. А Ту-160 с его параметрами 54-36-250 мог развивать только сверхзвуковую скорость в нижней стратосфере. С точки зрения гиперзвуковой аэродинамики форма Starship не представляет собой принципиально новых решений – это цилиндр с обтекателем, имеющим плавные очертания. Данная конфигурация повторяет хорошо изученный (проведены 199 полетов с измерениями) корпус экспериментального Х-15, обладающего схожей геометрией и очертаниями носовой части.
Вероятно, при разработке Starship Маск позаимствовал не только форму корпуса, но и принципы сверхзвуковой и гиперзвуковой аэродинамики. Задние крылья Starship, напоминающие вертикальные хвостовые кили самолета Х-15, оптимизированные для гиперзвуковых скоростей, неслучайно имеют такую конструкцию. Использование знакомых форм корпуса и килей повышает надёжность проекта и позволяет сократить время и расходы на проведение испытаний, поскольку эта конфигурация уже прошла через два сотни полётов. Благодаря полным и точным данным, полученным в различных сверхзвуковых и гиперзвуковых режимах полёта и в разных условиях.
Детальное изучение гиперзвукового участка представляло бы интерес. Например, «Шаттл» входил в атмосферу днищем, расположенным поперек потока. В этой ориентации первоначально возникало гиперзвуковое обтекание, характеризующееся числами Маха, превышающими 20. Хотя температура сжатого потока на днище достигала тысяч градусов, она оставалась недостаточно высокой для обгорания. Обгорание – это не только следствие температуры, но в большей степени результат теплового потока. Последний определяется количеством горячего сжатого газа: чем больше горячего вещества (и тепла) в кубическом сантиметре, тем сильнее этот кубический сантиметр вещества нагревает и излучает свет.
Из-за низкой плотности воздуха в начальный момент даже значительное его сжатие в ударной волне (которая плотно прилегает к днищу, формируясь на нем) не приводит к образованию очень плотного потока, хотя он и нагревается. В этом случае достигаются температуры, близкие к температуре полного торможения потока — температуре, при которой газ остановился бы, и вся его кинетическая энергия перешла бы в сжатие и нагрев.
Тепловой поток в днище пока остается незначительным, как и достигаемая плотность. Давление сжатого воздуха на днище при такой плотности также пока невелико. Однако большую площадью дна и крыла можно использовать для создания растущей силы аэродинамического сопротивления. Таким образом, силовой эффект обтекания проявляется до того, как начнет ощущаться температурный. Иными словами, поток начинает оказывать давление раньше, чем вызывает нагрев.
Начальные торможения в верхних слоях атмосферы целесообразно использовать всем системам посадки. Вероятно, Starship будет входить в атмосферу поперек направления движения, подобно шаттлам. Корпус и крылья аппарата покрыты шестиугольными теплозащитными плитками от основания до вершины – этого достаточно, чтобы выдержать нагрев при любом угле обдува гиперзвуковым потоком.
По мере изменения плотности воздуха необходимость в максимальном сжатии отпадает, поскольку это вызывает избыточные нагрузки и нагрев. Первый этап поперечного торможения характеризуется резким (изначально значительным) углом атаки, который уменьшается с увеличением плотности воздуха.
На сайте SpaceX вход в атмосферу представлен следующим образом: от парашютного торможения к аэродинамическому полету, с растянутым снижением и плавным замедлением через гиперзвуковой диапазон до сверхзвуковых скоростей. Будет ли Starship совершать горизонтальные траектории, напоминающие букву «S», постепенно снижая скорость, как это делал «Шаттл»? Возможен и другой вариант – просто выполнить вираж (горизонтальный полет с креном по окружности) с перегрузкой, аналогичной той, что возникает при прохождении изгибов полетной фигуры «Шаттла»; она определит величину замедления. И затем спокойно дождаться на вираже снижения скорости до необходимого значения. На среднем сверхзвуке затем выходить из виража на дальнейшее снижение с переходом к дозвуковой скорости. Сверхзвуковой этап будет больше напоминать полеты Х-15, нежели полет тупоносого «Шаттла», который не предназначен для полетов на сверхзвуковых скоростях.
Снижение скорости до звуковой станет быстрым и не сопровождается заметными изменениями. Затем ожидается начало вертикального снижения, которое было отработано в ходе предыдущих испытаний Starship. Данная методика посадки была многократно продемонстрирована и тщательно проанализирована нами ( «Starship — тропою летных испытаний»).
Если от полета останется что-либо (что, конечно, не исключено), предмет, упавший в воду, станет лишь финальной иллюстрацией произошедшего, с некоторыми признаками случившегося. Благодаря качественной телеметрии нет необходимости реконструировать события на основе обломков, поскольку все, что происходило, было плотно зафиксировано в процессе полета, включая текущие изображения из заданных точек внутри и снаружи аппарата. Обломок не потребуется, разве что для сохранения на память.
Помните испытания знаменитого гиперзвукового Х-43А? Это был передовой аппарат, который впервые осуществил подобные полеты и преодолел важный рубеж, а также впервые продемонстрировал ряд уникальных характеристик. Тем не менее, его просто сбрасывали в океан, без попыток найти, поскольку все происходящее фиксировалось точными измерениями и передавалось по телеметрии на землю для регистрации).
Если Starship совершит штатную посадку, сохранив свою форму и целостность, то эта внушительная пустая цистерна вряд ли опустится на дно. Благодаря опыту SpaceX в отслеживании приводнений, поиски в океане не покажутся сложной задачей. Подъем Starship на борт судна, даже учитывая его размеры, не вызовет затруднений, поскольку с пустыми баками он не будет слишком тяжелым. Что произойдет дальше, покажет только время.
Существует еще один значительный момент, касающийся приводнения. Посадка Starship на бетонное покрытие уже достигла стадии «первого успеха». Однако посадка Starship на водную поверхность, выполненная любым способом, представляла бы собой любопытный опыт.
В процессе полета возможны нештатные ситуации, когда первая ступень не завершает работу полностью, и зона падения окажется в океане.
Или подобная чрезвычайная ситуация может произойти и с Starship. Посадка на водную поверхность продемонстрирует дальнейшие события. На основе этого можно будет разрабатывать решения для сценариев приводнения. Возможно, первый пробный запуск, после того как Starship успешно выйдет на орбиту, будет имитировать и исследовать ситуацию его падения в воду. Маск склонен к ускорению событий, и такой перспективный подход вполне соответствует его стилю. А данные, полученные в результате приводнения, могут пригодиться многократно в будущем.
Район посадки и измерительные мощности
Посадка в районе Гавайских островов также имеет свои особенности. Вход в атмосферу остается этапом полета, который еще не подвергался тщательной проверке, и сопровождается максимальными нагрузками на конструкцию. В случае аварии обломки не причинят ущерба земным объектам, поскольку упадут в удаленной части океана. Интересно, что зона падения боевых частей при запусках межконтинентальных ракет из России на максимальную дальность также находится вблизи Гавайев, к северо-западу от них. Траектории таких пусков изначально проходят над измерительными комплексами Камчатки, осуществляющими эту работу, а затем оказываются в зоне видимости американских измерительных средств.
В американской части Алеутской дуги, на острове Шемия, расположена крупная измерительная база, созданная для использования в советских ракетных испытаниях. Безусловно, сведения о траекториях и радиолокационных характеристиках боевых частей собирались и продолжают собираться ею не в целях сотрудничества, а в рамках разведывательных задач США. Центральным элементом базы является масштабная радиолокационная станция с фазированной антенной решеткой, состоящей из 35 тысяч элементов и носящая название «Кобра Дэйн» (AN / FPS-108. COBRA DANE), регулярно подвергаемая обновлению.
Она способна отслеживать перемещение Starship, полет которого будет проходить в пределах ее левого сектора обзора и зоны действия. Кроме того, с аэродрома базы могут взлететь самолеты RC-135S, предназначенные для телеметрических измерений. Однако применение военного и разведывательного федерального оборудования для запланированного испытания Starship – это лишь гипотеза, не имеющая подтверждений из официальных источников. При этом стоит отметить, что сотрудничество Маска с военными ракетными полигонами имеет давнюю и успешную историю. Неслучайно его первый космический носитель Falcon 1 был запущен с острова атолла Кваджалейн – основного принимающего полигона для межконтинентальных ракет США, оснащенного обширной сетью измерительного оборудования (мы освещали этот вопрос в статье « Баллистика над Кваджалейном»). В этом же месте находятся стартовые площадки, предназначенные для запуска различных типов противоракет, которые являются частью испытательного комплекса противоракетной обороны имени Рональда Рейгана.
Контрольно-измерительный комплекс, применяемый для проведения испытаний, не является общедоступным. Однако, чем выше точность и многоканальность измерений (частота опроса датчиков), тем точнее и надежнее получаемые данные. Поэтому измерительные комплексы космодромов или ракетных полигонов значительно превосходят системы более простого уровня, и их использование было бы целесообразным. Вместе с тем, успешный вывод на орбиту превратит и базу в Техасе в космодром. Наблюдение за стартом и посадкой первой ступени (как и за выведением на орбиту) необходимо обеспечить как траекторщикам, так и телеметрическим оборудованием (о его работе при испытаниях наш рассказ « Случай на 14-м измерительном пункте»). Поэтому для оценки эффективности необходимо использовать измерительные системы.
Несколько лет назад на базе Starbase были доставлены две антенны высотой девять метров, предназначенные для радиотелеметрической станции, осуществляющей отслеживание запуска и посадки космических кораблей «Шаттл». В настоящее время они используются при запуске пилотируемых кораблей Crew Dragon из Флориды. Данные о приборах для измерения траектории пока недоступны. Было бы интересно выяснить, какое измерительное оборудование обеспечивает получение данных для этих запусков. Особенно учитывая, что полеты планируются продолжить, независимо от результатов первого испытания. Измерения необходимы также в связи с требованиями федерального управления гражданской авиации FAA.
Первый полет ракеты Super Heavy: упрощенное описание
После разделения нижняя ступень пройдет в пространстве большую аэрокосмическую петлю вертикального развития, аналогичную посадочной петле первой ступени Falcon 9, которая уже использовалась в многочисленных запусках. Несмотря на то, что Super Heavy еще не выполняла подобную траекторию, успешные посадки Falcon 9, совершенные сотни раз, подтверждают надежность и проработанность баллистики и аэродинамики такой петли. Наличие четырех решетчатых аэродинамических рулей в верхней части Super Heavy указывает на использование схожей системы управления. Завершение траектории в нижней точке петли предусматривает приземление на воду, расположенное в 32 километрах от берега и стартовой башни.
Первичная проверка приземления сразу после взлета, включая заход первой ступени на посадку и ее приземление, сопряжена с риском. В случае аварийного приземления посадочная башня может быть повреждена. Поэтому в первом полете будет проверен исключительно заход ступени на заданные координаты. Если это не представляется возможным, то возле точки приземления будет предусмотрен достаточный по размеру водоем для посадки с отклонениями. А успешное выполнение захода в целевую точку позволит провести испытание приземления на башню. Хотя в первом полете оно и не запланировано, рассмотрим планируемую систему приземления на башню MechaZilla, которая станет уникальной стартово-посадочной платформой.
Эта посадочная схема отличается от привычных и ранее не была реализована в виде готовой технической системы или реальных посадок. Однако, Илону Маску сложно отказать в способности разрабатывать инновационные посадочные системы. Недавно первая ступень Falcon 9 успешно совершила сотую подряд посадку. Перед первой вертикальной посадкой на раскрывающиеся опоры было немало скептиков; такой здоровый скептицизм необходим каждому. Текущая ситуация аналогична, и о приземлении первой ступени пока мало информации, за исключением общих черт башни MechaZilla и анимационных роликов. Также неизвестны данные об остатках топлива в ступени на момент приземления и скорости при касании опор. Не изучена вся динамика посадки.
В схеме приземления Super Heavy нет непреодолимых препятствий, это, в основном, задача контроля за движением ступени. При соблюдении необходимой точности ступень способна удерживаться в воздухе на время установки опор. Однако любая, пусть и незначительная, ошибка в управлении может привести к возникновению остаточной скорости, из-за которой ступень коснется опор. Возникает вопрос о том, как обеспечивается точность пространственного положения ступени. Ориентация в пространстве и стабилизация на малой предпосадочной скорости вблизи башни, скорее всего, осуществляются с помощью реактивных систем, которым необходимо оперативно и энергично выполнять команды, обеспечивая при этом достаточную тягу.
Положение центра масс и оси ракеты по отношению к стартовой башне и ее опорам регулируется с помощью локальной системы, установленной на башне и ступени. К примеру, использование тысячи датчиков, подобных парктроникам, на стартово-посадочной башне позволит получить точную, с сантиметровой точностью, информацию о положении ступени относительно башни. Затем требуются решения, касающиеся точности управления посадочной тягой и функционирования датчиков контакта, измеряющих возрастающее давление Super Heavy на опоры башни до полной стабилизации.
Для межконтинентальных баллистических ракет шахтного базирования применяется метод подвеса ракеты на опорах за верхнюю часть. В частности, капсула с ракетой крепится к выступам в верхней части и опирается на силовое кольцо, расположенное вверху шахты. Вокруг шахты и подвешенной капсулы, как сверху, так и по бокам, сохраняется зазор примерно в метр. В случае близкого к поверхности земли или подземного ядерного взрыва, сейсмическая волна спровоцирует интенсивные колебания грунта с амплитудой смещения, достигающей полуметра и более. Грунт при этом перемещается на это расстояние с высокой скоростью. Чтобы предотвратить повреждение ракеты под воздействием столь мощного сейсмического воздействия, ее удаляют от стенок и дна шахтного ствола.
Ударная волна способна отразиться преждевременно и на меньшей глубине от более плотных гранитов, достигнув шахты под углом снизу. Вертикальный толчок грунта также будет ощущаться и передастся на шахтное опорное кольцо. Конструкция кольца предусматривает амортизацию толчков в заданных пределах. Небольшие толчки могут воздействовать на подвешенную капсулу с ракетой, но какой именно? Оценка этого воздействия – это и есть задача определения допустимой посадочной скорости для ступени: с какой силой и скоростью ступень коснется опорной башни без негативных последствий для обоих элементов.
При контакте с посадочными опорами ступень, подобно капсуле с шахтной МБР, подвергается колебаниям, которые вызывают растягивающие усилия. Если бы это воздействие произошло в нижней части ступени, возникла бы сжимающая нагрузка, аналогичная той, что испытывает первая ступень Falcon 9, у которой посадочные опоры расположены внизу. Возникает вопрос, почему для Super Heavy было выбрано подвешивание за верхнюю часть? В чем преимущество растягивающей нагрузки перед сжимающей?
При сжатии конструкция демонстрирует меньшую устойчивость по сравнению с растяжением. Хотя взлётная масса Starship и сопутствующие перегрузки создают значительное сжатие ступеней, при посадке пустой ступени существуют свои особенности. Например, вес топлива в заполненном баке оказывает давление в нижней части, что растягивает бак и повышает его устойчивость, подобно наполненному мешку или надутому шарику. Однако при посадочном толчке, когда в баке остаётся мало топлива, сжатие стенки (без внутреннего давления топлива) может привести к её деформации. Тем не менее, это лишь предположения; конкретные причины выбора такой конструкции пока не разглашаются и остаются собственностью SpaceX.
Аварийность сверхтяжелых машин
Первый этап посадки по данной схеме и его завершение продемонстрируют будущие испытания. Если, конечно, они будут проведены. Испытания всегда сопряжены с неопределенностью, даже для усовершенствованных версий ракеты, которая уже совершала полеты.
Сверхтяжелые ракеты, как правило, демонстрируют низкий уровень аварийности, что, вероятно, обусловлено их высокой стоимостью и более тщательными предполетными испытаниями. Все запуски американской Saturn-V, советской «Энергии» и пять запусков Falcon Heavy на сегодняшний день были успешными. В то же время, все четыре запуска советской Н-1 оказались аварийными, что было связано со спешкой, вызванной политическим соперничеством в освоении космоса.
Маск не принимает участия в соревновании, поскольку не желает тратить время. Летные испытания Starship отличаются от всех предыдущих разработок в области сверхтяжелых ракетных систем серией независимых тестов второй ступени. В ходе этих испытаний Starship не только освоил технику посадки, но и получил значительный объем данных. Это размывает понятие «аварийные летные испытания», которое ранее относилось исключительно к полету сверхтяжелой ракеты в целом.
Учитывая склонность Маска к экспериментальному подходу и стремлению к прогрессу через испытания и ошибки, можно ли оценить уровень готовности к первому полету ракеты? Вероятно, в этот раз не планируется намеренный жесткий краш-тест. Также не разглашаются сведения о позиции Федерального управления гражданской авиации США, которое должно дать разрешение на проведение испытаний. В случае любых инцидентов оно требует проведения масштабной работы по анализу причин и предотвращению повторения. Тем не менее, даже при аварийном запуске, мощная многоканальная телеметрия позволит подробно проанализировать, как и откуда развивалось цепочка отказов, и внести улучшения в последующие конструкции или алгоритмы управления.
У Маска уже имеется опыт разработки сверхтяжелой ракеты, обеспечивающей безопасную эксплуатацию (для тех, кто постоянно летает и стремится к безотказности). Falcon Heavy был создан без проведения краш-тестов. Успешные испытания – наиболее эффективный и быстрый способ создания техники. Поэтому, вероятно, Маск и попытается воспроизвести свой положительный опыт при создании Starship, если это станет возможным благодаря новой ракете, предполагающей более сложную траекторию полета. Первый запуск может быть отложен неоднократно, однако нет никаких сомнений в его реализации. И, возможно, в скором времени многие из наших вопросов получат ответы. Ожидаем результатов после полета.
Дополнение 1
Даже при ограниченных данных о траектории полета, используя принципы баллистики, можно определить, будет ли виток полным или неполным. Координаты Starbase: 25°59′29″ северной широты 97°11′01″ западной долготы. Координаты Кауаи: 22°4’12» северной широты 159°30’0″ западной долготы. Учитывая небольшой наклон орбиты, оценка может быть произведена по долготам. Разница в долготе между точкой старта и целевой точкой составляет, как видно, 62 градуса. Орбита при запуске фиксируется в пространстве относительно звезд, словно она зафиксирована; она практически не изменяет своего положения в пространстве в течение первых нескольких оборотов. Земля под ней вращается, совершая суточное вращение.
Один оборот Земли вокруг своей оси занимает 24 часа, что соответствует 15 градусам долготы в час. Полный виток спутника на низкой орбите обычно занимает около полутора часов. Следовательно, за это время Земля повернется на 22,5 градуса относительно орбиты спутника. Именно на величину этого угла уменьшится разница в долготе между начальной точкой и целью – другими словами, точка будущего приземления будет смещена на 22,5 градуса в восточном направлении за полтора часа полета. Остальную разницу, составляющую 62 – 22,5 = 39,5 градуса, округленно до 40 градусов (с учетом небольшого недолета, примерно в один градус, из-за расстояния до острова Кауаи), должен будет компенсировать сам спутник, изменяя свою орбиту для завершения полного пространственного цикла. Однако Starship не преодолеет эти 40 градусов: в конечном итоге он пройдет не полный оборот в 360 градусов долготы, как это происходит в любом замкнутом цикле, а на 40 градусов меньше. Это означает недолет по долготе до полного оборота на величину, равную 40/360, или одну девятую полного оборота.
Орбита не формируется в момент старта. Как правило, выход на опорную орбиту осуществляется на расстоянии 300-400 километров от начальной точки по ортодромной дальности. При небольшом наклоне орбиты на три-четыре градуса, то есть еще до начала орбитального полета, получается дополнительный наклон. В результате, пройденная часть орбиты составляет 43/360, что меньше одной восьмой полного оборота. Следует также учитывать, что финальная фаза не выполняется на орбитальной скорости. Спуск в атмосферу, подобно тому, как это происходило с «Шаттлом», охватывает сотни километров, что также уменьшает угол наклона орбиты. Дальнейшие уточнения и корректировки усложняются, однако общий вывод остается ясным: полноценный оборот вокруг Земли не совершается. Вместе с тем, очевидно, что орбитальный полет будет составлять основную часть траектории, что позволит провести необходимые испытания в условиях орбиты.
Дополнение 2
Среди всех четырех ракет сверхтяжелого класса, не имевших аварий, наибольшее количество полетов у «Сатурна-5» – 12, включая первые испытательные пуски. Более детально рассмотрев, можно отметить, что «Сатурн-5» использовал две первые ступени, прошедшие испытания. При этом третья ступень уже была проверена в трех успешных запусках «Сатурна-1В» за предыдущий год, где выступала в качестве второй ступени. Во второй ступени «Сатурна-5» применялись двигатели J-2, которые ранее прошли испытания. Конструкция корпуса второй ступени не представляет значительных трудностей, поскольку подходы и используемые материалы были успешно проверены на третьей ступени. Чем больше элементов прошло успешную облетку, тем лучше. Увеличенные топливные баки также несложно изготовить. Поэтому основным объектом испытаний стала первая ступень, использующая иное топливо и двигатели, не прошедшие облетку.
Аналогичная ситуация наблюдается и с Starship, в том числе с его второй ступенью. Двигатели корабля прошли испытания в реальных полетах, как и посадка с высоты 10 километров. В настоящее время испытывается первая ступень, однако ее траектория посадки и аэродинамическая схема управления основаны на опыте Falcon 9. Если установить определенные критерии и провести точный подсчет, то соотношение успешных и неуспешных попыток в конструкции и полетных схемах будет близко к показателям «Сатурна-5» и Starship.
Во время второго полета ракеты «Сатурн-5», последнего беспилотного «Аполлона-6», произошла ситуация, близкая к катастрофе. Продольные колебания первой ступени превысили допустимые границы. Это существенно повлияло на конструкцию второй ступени, что привело к ее сбоям в работе. Сначала отказали два двигателя из пяти, затем тяга третьего снизилась на две с половиной тонны. В результате «Аполлон» не достиг запланированной высокоэллиптической орбиты, с которой он должен был затем снижаться с ускорением и разгоном двигателя для входа в атмосферу со второй космической скоростью.
Спуск с высокой орбиты обеспечивал необходимую скорость. Однако при запуске аппарат смогли вывести лишь на низкую опорную орбиту. Двигатель третьей ступени для достижения высокой орбиты не был активирован (возникла неисправность). «Аполлон» с помощью своего двигателя достиг высоты 22 тысячи километров и завершил часть программы полета, но не развил запланированную скорость входа в атмосферу. Продолжительные колебания могли бы продлиться всего несколько десятков секунд, но каждая последующая секунда увеличивала ущерб, наносимый конструкции из-за возрастающей подвижности ее элементов, и выход на орбиту был бы невозможен.
В первом запуске тряска отсутствовала. Сейчас Super Heavy проверит систему на предмет подобных ситуаций. В полете неизбежно возникают непредвиденные обстоятельства, станет ли причинами отказов серьезные сбои? Следует правильно оценивать безотказность «Сатурна-5», принимая во внимание, что компоненты ракеты впервые испытывались в первом пуске. И с учетом предполётных ситуаций, которые приводили к существенной корректировке программы полета и не позволили достичь поставленных целей.