38 километров, которые изменят историю космонавтики

Первый полёт

20 апреля 2023 года войдёт в историю как начало новой эпохи в истории сверхтяжёлых носителей. После года активных испытаний и нескольких переносов пара из Starship S24 и Super Heavy B7 смогла удачно оторваться от стартового стола, тем самым поставив сразу несколько рекордов. Сам факт, что носитель не взорвался после старта — большое достижение для всей программы, если учитывать сложность самой системы. К тому же, ни одна версия ускорителя Super Heavy ещё ни разу не проходила лётные испытания, поэтому первый полёт был особенно важным для сбора данных.

Удивительно и другое: практически сразу после старта на ракете отключилось 3 двигателя по неизвестным причинам. Либо сработала автоматика, либо отключили вручную, либо аномалия по техническим причинам. При этом ракета не только продолжила набор высоты и скорости, но и потеряла в течение первых 100 секунд ещё 3 двигателя, но первый смог самостоятельно перезапуститься.

Примерно через 2 минуты после старта Starship Super Heavy на высоте 38 километров начала отклоняться от планируемой траектории, закрутилась и полностью потеряла управление. Практически всю следующую минуту ракета на скорости 2000 км/ч совершала обороты и в конечном счёте взорвалась после потери высоты, так и не дойдя до этапа отделения корабля. Полёт Starship Super Heavy продлился ровно 3 минуты и 59 секунд.

Тем не менее, одной из ключевых задач теста было преодоление зоны максимального аэродинамического сопротивления, когда ракета испытывает сильнейшие нагрузки при ускорении. Проблема является большим инженерным вызовом, ведь данные, полученные с тестовых стендов на земле, не всегда точно коррелируют с реальной телеметрией.

Глава компании Илон Маск в своём твиттере написал, что следующий тестовый полёт состоится через несколько месяцев. Новой «парой» предположительно станет корабль S26, у которого отсутствуют крылья и тепловая защита, и ускоритель B9, главным отличием которого является отказ от гидравлической системы вектора тяги в пользу электрических приводов для 13 центральных двигателей.

Американская ракета Space Launch System, которая будет использоваться для доставки астронавтов на орбиту Луны, пока что осталась самой тяжёлой ракетой в активном флоте среди всех стран.

Появление

В сентябре 2016 года, во время 67-й Международного Астронавтического Конгресса, Илон Маск анонсировал самый амбициозный проект компании — гигантскую ракету BFR для запуска корабля Interplanetary Transport System и вывода грузов до 300 тонн, полётов к Луне, Марсу и даже дальше. Причём первый полёт к Красной планете был обещан во второй половине 2022 года, но, как это часто бывает в космической отрасли, первичные сроки были излишне оптимистичными. 

Но ключевыми особенностями были не габариты, а сама концепция: первый полностью многоразовый корабль и ускоритель с десятками отдельных двигателей, с возможностью дозаправки прямо на орбите, а в качестве топлива предложили использовать метан в комбинации с жидким кислородом. На момент анонса прошло только 5 месяцев с первой успешной посадки ускорителя Falcon 9 на баржу в океане, а компания уже рассказывала о следующем флагманском проекте.

С появлением первых настоящих инженерных вызовов амбиции программы пришлось сильно поубавить, но ДНК системы осталось неизменным. В последующие несколько лет несколько раз менялся дизайн, название, а диаметр ракеты уменьшился до 9 метров.

Описание

Starship Super Heavy — это не просто ещё одна тяжёлая ракета или повторение пройденных рекордов космической гонки XX века. Это принципиально новая система, при создании которой пытаются переосмыслить непоколебимые постулаты космонавтики.

Во-первых, это потенциально первая полностью многоразовая система. Подобную концепцию не просто так называют Святым Граалем ракетостроения. Впервые в истории и корабль, и сам ускоритель планируется быстро переиспользовать. Безусловно, к этому ещё только предстоит прийти, и ближайшие полёты посвящены базовым тестам, но каких-то 10 лет назад и идея сажать ускорители на баржу в океане казалась слишком амбициозной, а теперь это происходит в среднем каждые 4,5 дня.

Ранее концепта быстрого переиспользования всей ракеты просто не существовало: успешно возвращали либо сам корабль, как космический челнок Space Shuttle или военный аппарат Boeing X-37, либо первую ступень ракеты Falcon 9. История знает ещё несколько примеров, но они скорее единичные. Ключевую роль играет и время, которое уходит на обслуживание сложных систем.

Для того, чтобы понять, насколько важным является концепт полностью многоразовой системы, достаточно привести аналогию с коммерческой авиацией: 

И Starship Super Heavy имеет высокие шансы стать первой системой, которая бросит вызов некогда невыполнимой задаче. Как и в случае с возвращаемой ступенью ракеты Falcon 9, космической отрасли придётся перестраиваться под новые реалии.

Во-вторых, появление новой ракеты сверхтяжёлого класса событие поистине эпохальное. Хватит пальцев одной руки: американская ракета Saturn V, которая помогла отправить людей на Луну; советская ракета Н-1, которая совершила 4 неудачных пуска; тяжёлый ускоритель «Энергия» отрывался от земли только 2 раза; новая американская ракета SLS, которая совершила первый успешный пуск в ноябре 2022 года в рамках первой миссии программы Artemis.

Starship Super Heavy — не просто ещё одна флагманская ракета, а самый большой и тяжёлый летательный аппарат в истории человечества. Она более чем в 2 раза мощнее ракеты Saturn V, которая помогла доставить астронавтов на поверхность Луны, и почти в 20 раз мощнее ракеты «Союз» во время старта.

В-третьих, разработка и производство системы Starship сильно отличаются от классических ракет благодаря итерационному подходу в проектировании. Ещё на ранних этапах компания отказалась от использования привычных для индустрии композитных материалов в пользу 4-миллиметровой нержавеющей стали, которая многократно дешевле, имеет отличные тепловые свойства и позволяет быстро вносить необходимые изменения даже в готовые изделия.

Оптимизация логистических цепочек и процесса производства — одно из самых серьёзных преимуществ частных компаний на фоне неповоротливых государственных подрядчиков, которые преследуют иные цели в ущерб эффективности. В то время как NASA курирует доставку одной ступени между тремя разными штатами для проведения различных испытаний, SpaceX достраивает заводы в Техасе и Флориде в нескольких километрах от стартовой площадки. Необходимость возить ракеты через всю страну — непозволительная роскошь.

Starbase функционирует 24/7 без выходных, и всего за 4 года из пустыря с одним тентом этот центр превратился в полноценный завод с множеством производственных линий и самой комплексной площадкой для пусков с уникальной системой, которая в будущем во время посадки будет ловить корабль и ускоритель. Лучшая деталь — отсутствие детали, именно поэтому инженеры пытаются перенести все лишние элементы с самой ракеты на наземную инфраструктуру.

Успех всей программы в том числе зависит и от итерационного подхода в проектировании, когда почти в каждый новый прототип вносится ряд значительных доработок. Это не штучный продукт, как новая ракета сверхтяжёлая SLS, которой ещё предстоит выйти на график полётов хотя бы раз в несколько лет. Лётные образцы Starship Super Heavy не просто так носят номера S24 и B7 для корабля и ускорителя, позади десятки различных тестовых версий. 

Поскольку Starbase находится у обычной общественной дороги, за годы здесь сформировались целые группы фотографов, которые занимаются тщательным документированием всех происходящих событий. Сотрудники SpaceX давно привыкли работать 24/7 под объективом камер, но их это не смущает. Риски промышленного шпионажа нивелируются высокой сложностью копирования. Поэтому даже имея на руках тысячи фотографий, построить такую же ракету практически невозможно.

Особенности

Среди ключевых игроков рынка пусковых услуг давно наблюдается отчётливая тенденция перехода на комбинацию из жидкого метана и кислорода в качестве топлива и окислителя. СПГ в первую очередь значительно дешевле различных вариаций авиационного керосина, имеет уже существующую развитую инфраструктуру по хранению и доставке и практически не оставляет продукты горения внутри элементов ракетного двигателя, что очень актуально для многоразовых систем.

Если театр начинается с вешалки, то ракета начинается с двигателя, поскольку его характеристики напрямую определяют возможности будущей системы. Именно под использование метана компания SpaceX занимается доработкой собственных двигателей Raptor — первых серийных ЖРД с полным циклом дожигания. Этот сложный контур с двумя турбонасосами позволил максимально приблизиться к теоретическому пределу эффективности жидкостных ракетных двигателей.

Первые элементы Raptor начали тестировать ещё в мае 2014 года, и сейчас двигатель эволюционировал в совершенно новую итерацию, которая в будущем тоже будет модернизироваться. Raptor 2 теперь производится серийно, компания уже поставила и протестировала более двухсот двигателей новой версии, каждый из которых способен выдавать тягу в 230 тс (тонна-сила). Всего на ускорителе Super Heavy будет установлено 33 двигателя, 13 из которых будут обладают вектором тяги для управления во время полёта и посадки. На корабле Starship на данный момент ставится три «Раптора» с вектором тяги для посадки и ещё три с увеличенным соплом в 2,3 метра для эффективной работы в вакууме — Raptor 2 RVac способен выдавать до 258 тс.

Подобная конфигурация из 33 двигателей накладывает множество сложностей, но потеря даже нескольких двигателей во время полёта не скажется на возможности выйти на орбиту. Запаса мощности достаточно, а автоматика скорректирует уровень тяги для всех двигателей, чтобы продолжить полёт в штатном режиме. Тем более, компания SpaceX имеет огромный опыт в эксплуатации подобных систем: 

Но одним из самых важных элементов всей программы Starship является возможность дозаправки в космосе, которая позволит расширить возможности корабля и выводить его к Луне и дальше. Однако процедура дозаправки для больших аппаратов ещё ни разу не проводилась на орбите. Жидкости, включая криогенное топливо и окислитель, ведут себя совершенно иначе в невесомости, и если на земле для заправки ракеты используется сложная инфраструктура, то про аналогичную процедуру на орбите подробной информации пока что нет.

От успеха этой системы и зависит будущая высадка на Луну. До 2025 года компания SpaceX должна продемонстрировать посадку специальной версии Starship на поверхность спутника Земли. Но подобная миссия потребует пять дозаправок на орбите, которые ещё предстоит протестировать. Будущее всей программы Artemis на данном этапе полностью зависит от успешных тестов Starship.

Подготовка

Всего за четыре года с момента начала лётных испытаний первого прототипа Starhopper (по аналогии с тестовой платформой Grasshopper для ракеты Falcon 9) компания SpaceX подошла к готовности запустить Starship Super Heavy в космос. С юридической точки зрения система прошла все необходимые проверки и получила сертификацию на ближайшие полёты. Но техническая готовность остаётся под вопросом.

Многие предыдущие тесты Starship оканчивались неудачами, такова природа программы и подхода в проектировании. Если налажено массовое производство, то потеря одного прототипа не является столь критичной проблемой, особенно если своего часа ждут сразу несколько полноценных конфигураций. Поэтому и цели первого полёта вполне демократичные: запустить 33 двигателя и взлететь со стартовой площадки, пройти зону максимального аэродинамического давления через 1 минуту полёта, отстыковать ускоритель Super Heavy на высоте 64 км и мягко посадить его в океан в 30 км от побережья, пока корабль Starship выходит на незамкнутую орбиту, чтобы затонуть в 100 километрах от побережья Гавайев.

И прохождение первых этапов является приоритетными задачами миссии. Если ракета не развалится во время прохождения самого сложного этапа на высоте примерно в 12 километров, то это будет служить подтверждением жизнеспособности всей конструкции. Все последующие этапы — приятный бонус и возможность получить дополнительные данные.

Запаса топлива Starship хватит, чтобы выйти на полноценную орбиту, но регуляторы из Федерального управления гражданской авиации США пока не готовы выдать соответствующее разрешение. Если что-то пойдёт не так, то огромный 50-метровый корабль остается временно висеть на орбите без точного времени и места схода. Габариты и масса Starship сильно больше даже самых больших спутников и скорее ближе к станции Мир, плановое затопление которой прошло 21 марта 2001 года. Поэтому незамкнутая орбита с плановым сходом — безопасное решение для экспериментальной программы на первые 3 полёта.

График будущих запусков зависит от результатов анализа всех данных — любая телеметрия со всех сенсоров и данные по работе двигателей всегда на вес золота. Также предстоит оценить и последствия для стартовой площадки. Поэтому на данный момент у программы нет публичного графика полётов, но в какой-то момент начнётся отработка посадки с помощью башни у стартового стола, и конечно, будущее компании во многом зависит от коммерческого успеха программы Starlink. Новая версия спутников специально создана под габариты грузового отсека Starship, поэтому в компании не горят желанием откладывать пуски ещё дальше.

Компания

Только с начала года компания SpaceX совершила 26 пусков и 26 успешных посадок ускорителей (включая запуск предыдущей сверхтяжёлой ракеты Falcon Heavy). На данном этапе компания де-факто — абсолютный лидер индустрии по количеству пусков и общей массе выводимой нагрузки, как среди стран, так и частных компаний вообще. И Starship — это не безумная авантюра Илона Маска, а логичное развитие крайне успешного и эффективного бизнеса с предположительной капитализацией в $137 млрд.

И несмотря на длительную разработку, компания продолжает поддерживать рекордный темп пусков ракеты Falcon 9, занимается доставкой грузов и людей на МКС, и продолжает развивать проект интернет-связи Starlink, у которого уже более 1 миллиона проданных терминалов.

Для сравнения: во всех структурах Роскосмоса работает около 170 тысяч человек, которые занимаются разработкой и поддержкой многих программ. На момент выхода материала Россия провела лишь 6 успешных пусков с начала 2023 года.