SpaceX после затяжной серии аварий нормально посадила прототип Starship SN15. Огромная стальная ракета поднялась в воздух на десять километров, выполнила там сложные кульбиты, которые не могла сделать ни одна ракета ранее, а затем плавно опустилась вниз. Одни говорят, что это революция, другие — что «СССР так умел полвека назад». Кто прав и что будет дальше? Попробуем разобраться.
Что такого нового в Starship? Или правы те, кто считает, что ничего?
Все ракеты, доставляющие землян в космос, до некоторых пор летали одинаково. Они стартовали на двигателях (в основном, жидкостных ракетных), затем отсоединяли одну ступень, затем вторую. Ступени падали вниз, после чего их списывали. Исключением, вот уже несколько лет, была только первые ступени Falcon 9 — они уже десятки раз садились на хвост и использовались потом снова — каждая до пяти раз (в перспективе — до десяти). Это позволило снизить цену коммерческих миссий Falcon 9 до 50 с небольшим миллионов долларов — заметно ниже российских «Протонов».
Однако с точки зрения коммерческой многоразовости спасение одной ступени из двух — полумера. Огромная часть стоимости ракеты приходится на вторую ступень. Что еще важнее: кислород-керосиновые двигатели Falcon 9 не годятся для создания ступеней, летающих заметно больше десятка раз. Между тем, если одну ступень использовать по сто раз, вывод ею в космос обойдется в разы дешевле, чем если она отработает всего десять полетов.
Starship Илона Маска должен был решить именно эту проблему: полной многоразовости. Маск считает, что с новым носителем минимальная цена одного запуска упадет с полусотни миллионов долларов до пяти — а затем и еще ниже. Поскольку полезная нагрузка Starship составит от 100 тонн, стоимость вывода килограмма груза при этом должна упасть до 50 долларов за килограмм. Сегодня она, напомним, тысячи долларов за килограмм даже у SpaceX.
Итак, цель «Звездолета» вполне ясна: снизить цену полетов в космос хотя бы в сто раз. Если это получится, мир вокруг нас резко изменится. Человек безусловно высадится на Марсе в перспективе ближайших 20 лет и, с большой вероятностью, начнет систематическое освоение этой планеты. Будут и другие изменения, менее приятные, о чем мы уже писали. В частности, выводить оружие в космос станет настолько дешево, что без появления там боевых платформ (замаскированных под гуманитарные цели) обойтись вряд ли выйдет.
Но реальны ли крайне амбициозные цели Маска?
Революция в космических полетах?
Чтобы понять это, взглянем на удавшиеся испытания Starship SN15 еще раз, более внимательно. Крупный цилиндр из листов нержавеющей стали взмыл на трех метано-кислородных двигателях Raptor на высоту десять километров, а затем отключил двигатели и начал падать вниз. Сделал он это сразу со множеством целей.
Starship SN15 на космодроме Бока-Чика, 5 мая 2021 года
Источник изображения: SpaceX
Во-первых, нужно было убедиться, что принципиально новые ракетные двигатели могут без проблем включаться и отключаться в полете. Во-вторых, на высоте Starship должен уметь разворачиваться одними аэродинамическими рулями, чтобы не тратить лишний раз топливо на маневры.
Близ земли пара двигателей снова включилась, и начали «выправлять» траекторию огромной стальной махины, чтобы она ровно и точно села на хвост. Эта часть программы имела огромное значение. Дело в том, что «посадочные ноги» Falcon 9 по отношению к корпусу этой ракеты намного больше и массивнее, чем у Starship. Чтобы сэкономить топливо, для нового корабля, посадочные опоры выбраны менее массивными. Очень важно было понять, могут ли они обеспечить посадку на бетон с такой амортизацией, чтобы не повредить ракетные двигатели и остальную начинку Starship.
На вид все это удалось. С одной из сторон корабля/носителя после посадки было видно пламя: видимо, догорал метан, выпущенный Raptor, но не успевший сгореть. Менее вероятно, что это была утечка, поскольку при утечке горение вряд ли прекратилось бы само. Выходит, «посадочные ноги» оказались достаточно крепкими, при всем их невпечатляющем внешнем виде.
В таком виде испытания полностью успешны, но слишком мало говорят взгляду постороннего наблюдателя. Что в них такого, что все профильные СМИ освещают их с небывалой детальностью?
Ключевых слов здесь два: Raptor и аэродинамическое торможение. Жидкостный ракетный двигатель Raptor отличается от всех ракетных двигателей, когда-либо отрывавшихся от поверхности Земли. Большинство концентрируется на том, что они метановые. Это, конечно, важно: метан в отличие от керосина не оставляет копоти. С ним Raptor может сажать свою ракету на хвост сто раз и более, выдержала бы обшивка.
Но сажи не давали и водород-кислородные двигатели прошлого, типа RS-25 «шаттлов». Тем не менее, в сравнении с «Рапторами», любые движки космонавтики прошлого выглядят устаревшими. И вот почему.
Для полетов в космос в основном используют жидкостные ракетные двигатели. Они бывают открытого и закрытого цикла. В первом часть топлива тратится для горения в газогенераторе и поэтому не участвует в создании тяги ракеты. Горит оно там, чтобы создать горячий газ, вращающий турбонасосы, без которых основная часть топлива ракеты не может быть ею использована. То есть все двигатели открытого цикла не используют часть горючего для создания тяги.
Он же на нисходящей части траектории. Видна работа двух двигателей
Источник изображения: SpaceX
Это исключительно важно: у ракет огромная масса топлива и малая полезная нагрузка. Неэффективное использование даже малой части топлива заметно снижает полезную нагрузку. Примеры таких двигателей — первые советские, американский лунный F-1 и Merlin масковских «Фальконов».
Двигатели закрытого цикла имеют еще и камеру предварительного сгорания, где сжигается часть топлива. После того, как получившийся в этой камере газ «прокрутился» в турбонасосах, он идет на дожиг в камеру сгорания и таки участвует в создании тяги. Но это важно не только потому, что так мы не выбрасываем часть топлива из создания тяги.
Есть еще и второй фактор: раз мы не теряем лишний газ, то можем потратить большее его количество на работу турбонасосов. А тогда мы и давление в камере сгорания двигателя способны поднять куда выше.
Любой автомобилист понимает, что если мы поднимем давление в двигателе, то он станет мощнее при тех же объемах и массе. Значит, с полностью закрытым циклом космический носитель будет иметь меньшую массу — то есть еще больше увеличит полезную нагрузку.
В «Рапторах» финальное давление ожидается в районе 300 атмосфер, что рекордно много. Для сравнения, двигатели в ракетах «Союз», выводящих наших космонавтов в космос, довольствуются всего лишь 70 атмосферами (движок открытого цикла). Лучший российский ракетный двигатель, РД-170/180, при работе не превосходит и 270 атмосфер.
Еще один момент: «Раптор» — первый когда-либо летавший ракетный двигатель с полной газификацией компонентов. Это значит, что все его топливо до попадания в основную камеру сгорания из жидкости превращается в газ. Для этого у него есть две камеры предварительного сгорания. В первой горит метан при избытке кислорода (получается смесь газов с высоким содержанием кислорода). Во второй камере горит метан при дефиците кислорода — и получается смесь газов с высоким содержанием метана.
Вверху схемы видны две камеры предварительного сгорания
Источник изображения: Wikimedia Commons
Потом из обеих камер предварительного сгорания газы идут через турбонасосы, и затем попадают в камеру сгорания двигателя. В итоге импульс двигателя повышается на несколько процентов в сравнении с двигателями без полной газификации сгорающего топлива.
Следует еще раз подчеркнуть: это первый летающий двигатель такого рода в мире. СССР делал похожий РД-270, но после урезания финансирования космоса вслед за отказом от полетов на Луну доводить его не стал. РД-270 никогда не летал — иными словами, Илону Маску принадлежит самый совершенный ракетный двигатель в истории нашего вида.
В силу его принципиальной новизны, именно поведение «Рапторов» и их систем питания во время сложных маневров Starship SN15 — главное, что приковывает внимание всех. И пока они справляются.
Что будет дальше?
Текущие испытания — по сути лишь первый шаг. Да, новый двигатели мягко посадили огромный корабль на тонюсенькие ножки, но впереди не менее сложные этапы. Starship в ближайший год предстоит поднять уже не на 10 километров, а в космос. Оттуда ему придется спускаться на нескольких километрах в секунду. А это поднимает температуру его обшивки выше тысячи градусов.
Илон Маск, вопреки исходному мнению своих инженеров, выбрал материалом «Звездолета» нержавеющую сталь. Это не самый очевидный ход: в космической индустрии корабли из него ранее не делали. Но логичный: Носов (химик по образованию) в «Незнайке на Луне» выбрал тот же материал для обшивки воображаемого корабля коротышек потому, что нержавейка не теряет прочность при температурах 800+. Дюраль предшествующих носителей и кораблей теряет прочность при намного меньших температурах, отчего в свое время погиб один из «шаттлов».
Несмотря на это, Starship тоже потребует теплоизоляции на части своей поверхности. Предположительно, из диоксида кремния с малой плотностью (как у очень плотного пенопласта). Теплоизолирующие плитки были ахиллесовой пятой «шаттлов». И хотя у Маска они существенно отличаются, только будущие испытания покажут, помешают ли плитки и ему.
©ArsTechnica
Что можно сказать совершенно точно: каждое успешное испытание Starship существенно меняет ситуацию в космической индустрии. На сегодня она — за пределами SpaceX — разделена на две половины. Первая, как отдельные китайские игроки, уже нацелена на копирование Starship (просто взгляните на фото выше). Вторая все еще надеется, что у Маска с этим проектом ничего не выйдет, и поэтому пока копировать еще не начали.
Как только планы по космическим полетам нового корабля воплотятся в жизнь, на Земле начнется гонка копирования Starship. От того, кто первым преуспеет в ней, зависит, кто займет в космосе вторую позицию, сразу за SpaceX — мы или Китай. На этой неделе мы стали на шаг ближе к началу этой, без преувеличения, исторической гонки.