SpaceX после череды аварий успешно посадила прототип Starship SN15.
Огромная стальная ракета поднялась на десять километров, совершила там сложные маневры, которых не могла выполнить ни одна ракета ранее, и затем плавно опустилась вниз. Некоторые считают это революцией, другие — что подобное было уместно полвека назад в СССР. Что истинно и как будет дальше? Попробуем разобраться.
В чем же новизна Starship? Или справедливы те, кто полагает, что изменений нет?
Все ракеты, отправляющие людей в космос, некоторое время летали одинаково. Запуск осуществлялся на двигателях (в основном жидкостных ракетных), затем отсоединялась одна ступень, затем вторая. Ступени падали вниз и списывались. В течение нескольких лет исключением являлись первые ступени Falcon 9: десятки раз садились на хвост и использовались повторно — каждая до пяти раз (в перспективе — до десяти). Это позволило снизить цену коммерческих миссий Falcon 9 до 50 с небольшим миллионов долларов — заметно меньше российских «Протонов».
С коммерческой точки зрения многоразовость спасения одной из двух ступеней — полумера. Значительная часть стоимости ракеты приходится на вторую ступень. Кислород-керосиновые двигатели Falcon 9 не подходят для создания ступеней, летающих более десяти раз. При использовании одной ступени сто раз вывод в космос будет в разы дешевле, чем при десяти полетах.
Корабль Starship Илона Маска призван решить задачу полной многоразовости. Маск полагает, что с новым носителем минимальная цена запуска снизится с полусотни миллионов долларов до пяти, а затем еще больше. Поскольку полезная нагрузка Starship составит от 100 тонн, вывод килограмма груза должен обойтись в 50 долларов за килограмм. На сегодняшний день эта цифра равна тысяче долларов за килограмм даже у SpaceX.
Цель «Звездолета» ясна: снизить стоимость космических полетов хотя бы в сто раз. Успех этого проекта может привести к кардинальным изменениям мира. Человек, вероятнее всего, высадится на Марсе в течение ближайших двадцати лет и приступит к освоению этой планеты.
Будут и другие изменения, некоторые из которых могут оказаться неблагоприятными. В частности, появление дешевого способа доставки оружия в космос сделает практически неизбежным размещение там боевых платформ, маскирующихся под гуманитарные миссии.
Верны ли по своей смелости цели Маска?
Революция в космических полетах?
Для понимания этого события рассмотрим успешное испытание Starship SN15 более подробно. Крупный цилиндр из нержавеющей стали поднимется на трех двигателях Raptor, работающих на смеси метана и кислорода, на высоту десяти километров, после чего отключает двигатели и начинает снижение. Это выполняется с множеством целей.
Прежде всего, требовалось удостовериться, что принципиально новые ракетные двигатели могут беспрепятственно включаться и выключаться в полете. Во-вторых, Starship должен был уметь разворачиваться на высоте с помощью аэродинамических рулей, чтобы не расходовать лишнее топливо на маневры.
Рядом с землей пара двигателей запустилась и начала корректировать траекторию огромной стальной машины для точной посадки на хвост. Эта часть программы была очень важна. Дело в том, что «посадочные ноги» Falcon 9 значительно больше и массивнее, чем у Starship. Для экономии топлива у нового корабля выбрали менее массивные опоры. Важно было выяснить, смогут ли они обеспечить посадку на бетон с такой амортизацией, чтобы не повредить ракетные двигатели и внутренне устройство Starship.
Внешне всё прошло успешно. С одной из сторон корабля/носителя после посадки был виден огонь: вероятно, сгорал метан, выпущенный Raptor, но не успевший полностью сгореть. Менее вероятно, что это была утечка, поскольку тогда горение вряд ли прекратилось бы само собой. Следовательно, «посадочные ноги» оказались достаточно прочными, несмотря на невпечатляющий внешний вид.
Испытания весьма удачны, но недостаточно привлекательны для обычного зрителя. Что же заставляет специализированные издания столь подробно рассказывать о них?
В центре внимания два термина: Raptor и аэродинамическое торможение. Жидкостный ракетный двигатель Raptor выделяется среди всех когда-либо запускавшихся с Земли. Главное его отличие — использование метана в качестве топлива. Это имеет значение: метан, в отличие от керосина, не оставляет сажи. Благодаря этому Raptor может многократно приземлять ракету на хвост, обшивка выдержит более ста таких посадок.
Сажевые двигатели и водородно-кислородные моторы прошлых лет, такие как RS-25 «шаттлов», также не использовали сажи. Тем не менее в сравнении с «Рапторами» любые двигатели космонавтики прошлого кажутся устаревшими.
Для космических полетов преимущественно применяют жидкостные ракетные двигатели. Существуют два типа: открытого и закрытого циклов. В двигателях открытого цикла топливо сжигается в газогенераторе, не участвуя в создании тяги ракеты. Сгорание необходимо для получения горячего газа, вращающего турбонасосы, без которых основная часть топлива ракеты не будет использоваться. Таким образом, все двигатели открытого цикла не используют часть горючего для создания тяги.
Безусловно важно: у ракет большой расход топлива и маленькая полезная нагрузка. Нерациональное использование даже части топлива существенно снижает полезную нагрузку. Примерами таких двигателей являются первые советские, американский лунный F-1 и Merlin масковских «Фальконов».
Двигатели закрытого цикла оснащены камерой предварительного сгорания для частичного сжигания топлива. Полученный газ поступает в турбонасосы и затем в камеру сгорания, где полностью горит, участвуя в создании тяги.
Второй фактор заключается в том, что отсутствие потерь газа позволяет использовать его для работы турбонасосов в больших объёмах. В результате давление в камере сгорания двигателя возрастает до более высоких значений.
Любой водитель знает: повышение давления в двигателе увеличивает мощность при неизменных объёмах и весе. Следовательно, космический корабль с полностью закрытым циклом будет иметь меньший вес, что позволит увеличить полезную нагрузку.
В «Рапторах» конечное давление должно составить около 300 атмосфер, что является рекордным показателем. Для сравнения, двигатели в ракетах «Союз», запускающих наших космонавтов в космос, работают при давлении 70 атмосфер (двигатель открытого цикла). Самый мощный российский ракетный двигатель РД-170/180 не превышает 270 атмосфер.
«Раптор» — первый летающий ракетный двигатель с полным превращением компонентов в газ до попадания в основную камеру сгорания. Для этого применяются две камеры предварительного сгорания: в первой метан горит при избытке кислорода (получается смесь газов с высоким содержанием кислорода), во второй — при дефиците кислорода (получается смесь газов с высоким содержанием метана).
Газы из обеих камер предварительного сгорания движутся через турбонасосы и поступают в камеру сгорания двигателя. Это приводит к росту импульса двигателя на несколько процентов по сравнению с двигателями, не использующими полную газификацию топлива.
Стоит еще раз отметить: это первый летающий двигатель такого типа во всем мире. СССР разрабатывал похожий двигатель РД-270, но после сокращения финансирования космоса, связанного с отказом от полетов на Луну, его доводить не стали. РД-270 никогда не летал: таким образом, у Илона Маска самый совершенный ракетный двигатель в истории человечества.
Благодаря своей инновационности особое внимание привлекает поведение «Рапторов» и их системы питания в ходе сложных манёвров Starship SN15. Пока всё идёт гладко.
Что будет дальше?
Текущие испытания — лишь начало. Успешная посадка гигантского корабля на тонкие опоры — важный шаг, но предстоят ещё более сложные этапы. В ближайшем году Starship должен будет подняться не на десять километров, а в космос. Спуск с орбиты, при котором температура его обшивки превысит тысячу градусов из-за скорости падения нескольких километров в секунду, станет настоящим испытанием.
Илон Маск предпочел нержавеющую сталь для конструкции «Звездолета», отклонив мнение инженеров. Такой выбор не является стандартным в космической отрасли. Но он основан на рассуждении: Носов, химик по образованию, выбрал нержавейку для обшивки корабля из книги «Незнайка на Луне» потому что она сохраняет прочность при температуре 800 градусов и более. Дюраль, используемый в предыдущих носителях и кораблях, теряет прочность при значительно меньших температурах, что привело к гибели одного из шаттлов.
Несмотря на это, Starship также нуждается в теплоизоляции части поверхности. Предположительно, из диоксида кремния с малой плотностью (как у очень плотного пенопласта). Теплоизоляционные плитки были слабым местом шаттлов. И хотя у Маска они существенно отличаются, только будущие испытания покажут, помешают ли плитки и ему.
Каждое успешное испытание Starship существенно меняет ситуацию в космической индустрии. В настоящее время она за пределами SpaceX разделена на две группы: первая, как отдельные китайские игроки, стремится к копированию Starship (достаточно взглянуть на фото выше). Вторая еще надеется на неудачи Маска с проектом и пока не приступила к копированию.
Реализация планов по космическим полетам нового корабля вызовет соревнование между странами в его копировании. Кто быстрее справится с задачей, займет вторую позицию в космосе после SpaceX — либо мы, либо Китай. На этой неделе приблизились к старту этой исторической гонки.