Оригинал материала
Вторая попытка запуска «Старшипа» закончилась взрывом
Рассказываем все, что известно про корабль для колонизации Марса, и объясняем, почему неудача — это все равно успех
20 апреля вторая попытка испытаний самой мощной ракеты в истории закончилась ее разрушением спустя четыре минуты после взлета на высоте в 33 километра. Запуск должен был состояться еще 17 апреля, но был отложен из-за неисправности клапана наддува. Почему испытания «Старшипа» ждали все, кто увлекается космосом? «Холод» отвечает на этот и другие вопросы про корабль для освоения Марса, а также объясняет, как он устроен и зачем нужен Илону Маску.
Чтобы не пропускать главные материалы «Холода», подпишитесь на наш инстаграм и телеграм.
Что произошло при запуске
Первая ступень Super Heavy и корабль «Старшип» успешно взлетели. Несмотря на то, что несколько двигателей первой ступени выключились после взлета — сначала четыре, потом пять, — она успешно набирала высоту и благополучно преодолела точку Max Q, то есть максимального аэродинамического напора, когда конструкция испытывает самую большую нагрузку. Ракета добралась до высоты около 33 километров — до точки, где первая ступень должна была выключить двигатели, а «Старшип» — отделиться от нее. Но ракета начала неконтролируемо вращаться, а затем взорвалась. SpaceX пока не сообщает, был ли это подрыв по команде с земли или ракета разрушилась под действием нагрузки.
Для первого запуска самой большой в истории ракеты это все-таки можно считать успехом: ракета покинула старт, добралась до большой высоты. И главное — уцелела стартовая площадка и вся сборочная площадка вокруг, то есть SpaceX сможет изучить причины аварии и запустить следующий прототип. Илону Маску не привыкать: его первая ракета Falcon 1 успешно вывела нагрузку на орбиту только с четвертого раза. Следующий запуск «Старшипа» он уже планирует провести через несколько месяцев.
Почему весь мир следил за запуском
Если вы спросите у космического инженера, что такого особенного в ракете Super Heavy и корабле «Старшип», вы, вероятно, не получите точного и конкретного ответа. С чего начать? С того, что это самая большая космическая ракета в истории? Самая многодвигательная? Что это первая полностью многоразовая система доставки грузов в космос? О чем нужно рассказать в первую очередь? О том, что корабль создавали, используя длинный ряд летающих прототипов со все более сложными задачами? Или с того, что это одна из первых попыток использовать метан в качестве ракетного топлива? Что это серьезная попытка создать ковчег для переселенцев на Марс? Или, наконец, о том, что весь этот поражающий воображение проект создается частной компанией, на частные средства?
Сложно выбрать, с чего, собственно, начать рассказывать эту историю, но, возможно, лучший вариант — показать две эти картинки:
И разница тут не только в количестве железа. Предполагалось, что шаттлы будут летать в космос примерно так же, как «Боинги-737» из Чикаго в Нью-Йорк: посадка; быстрая проверка, в порядке ли конструкция и системы; заправка баков и зарядка аккумуляторов; погрузка на борт нового спутника — и новый полет.
Первоначально НАСА планировало, что шаттлы будут единственным средством выведения на орбиту полезной нагрузки (полезной нагрузкой называют спутники, корабли, ядерные заряды — что угодно, что везет ракета) — то есть именно они должны были возить военные и гражданские спутники (и забирать обратно сломавшиеся). Проект должен был окупиться, то есть стоить вдвое дешевле, чем эксплуатация лунной ракеты Saturn V при том же количестве запусков, а максимальный темп должен был достигать 60 запусков в год, то есть чаще, чем раз в неделю.
Реальность оказалась далека от этой мечты. Межполетное обслуживание шаттлов занимало месяцы, по сути это была полномасштабная переборка и ремонт. В результате каждый полет обходился примерно в 450 миллионов долларов, а максимальный темп запусков был достигнут в 1985 году — девять полетов в год. Стоимость запуска килограмма груза с помощью шаттла оказалась примерно в четыре раза выше, чем с помощью обычных одноразовых ракет-носителей. Катастрофа «Челленджера» серьезно ударила по программе, а гибель «Колумбии» заставила принять решение о прекращении полетов шаттлов, и США в 2011 году надолго остались без собственных пилотируемых кораблей.
Катастрофа многоразового транспортного космического корабля «Челленджер» произошла 28 января 1986 года недалеко от побережья полуострова Флорида, США, когда челнок разрушился в результате взрыва внешнего топливного бака на 73-й секунде полета, что привело к гибели всех семи членов экипажа.
В 2013 году произошла катастрофа шаттла «Колумбия»: 1 февраля, незадолго до предполагаемой посадки корабля после 16-суточного полета, НАСА потеряло с ним связь — шаттл развалился в воздухе, все семь членов экипажа погибли. Комиссия по расследованию катастрофы пришла к выводу, что причиной катастрофы стало разрушение наружного теплозащитного слоя на левой плоскости крыла челнока.
Так закончилась первая попытка создать частично многоразовую систему. Аналогичная советская программа «Энергия» — «Буран» закрылась через несколько лет после единственного полета в 1988 году. В чем же дело?
Почему ракеты не летают как самолеты?
Космические инженеры (и, конечно, Илон Маск среди них) наверняка с завистью смотрят на авиационных коллег: самолеты могут летать десятки лет, а космические ракеты — на постройку каждой из которых требуется больше года — превращаются в груду металлолома после единственного рейса. Именно поэтому космические полеты до сих пор чрезмерно дороги. Можно ли это исправить?
Главное преимущество самолета перед ракетой состоит в том, что ему не нужно везти с собой в баках окислитель и рабочее тело, которое создает реактивную тягу. Он берет их из окружающей среды — атмосферы. Воздух попадает в турбореактивный двигатель, сжимается компрессором, разогревается до тысяч градусов и выбрасывается сзади, создавая тягу. Ракета должна везти с собой все, что нужно для создания реактивной тяги: окислитель, чтобы обеспечить горение, само горючее. А ее скорость, которую она может набрать, прямо зависит от того, какую массу и с какой скоростью ракетные двигатели выбрасывают вниз.
Для ракетного аппарата в полной мере актуально проклятие формулы Циолковского: для того чтобы набрать большую скорость, нужно больше топлива, чтобы поднять эту массу топлива, нужно еще больше топлива — и не только топлива, а еще баков для него, что означает прибавочную массу, — и эта дурная бесконечность ведет к тому, что ракеты массой около 300 тонн выводят на орбиту аппараты массой около 10 тонн, то есть хорошо, если 2–3% процента от исходной массы.
Разумеется, люди думали о том, чтобы строить реактивные самолеты, способные летать в космос. Идея кажется простой: разогнаться до первой космической скорости на высоте, где реактивные двигатели еще работают, а потом просто по инерции улететь на орбиту. К несчастью, против этого плана выступают особенности самих двигателей: на высоких скоростях воздух не успевает разогреваться, поэтому предел скорости даже для прямоточных реактивных двигателей составляет около 2 километров в секунду, что далеко до первой космической скорости в 7,91 километра в секунду. Сейчас разрабатывается гибридный двигатель SABRE для будущего космического самолета Skylon, но об этом проекте нет новостей с 2021 года.
Идея «полусамолетной» системы — с ракетным взлетом и самолетной посадкой — была погребена вместе с шаттлами. Но до сих пор остается живой идея SSTO. Вот что это такое.
Одной ступенью
Концепция SSTO, то есть одноступенчатой космической ракеты (Single-stage-to-orbit), кажется невероятно привлекательной. Представьте себе ракету, которая взлетает, выходит на орбиту, выводит спутник (или пилотируемый корабль), а потом возвращается на Землю — скажем, на парашюте. И так много раз. Мы ничего не расходуем, кроме топлива, на Землю не падают отработанные первые ступени, а на орбите не остаются уже ни на что не годные третьи.
При ближайшем рассмотрении картина оказывается не такой радужной.
Одноступенчатая модель означает, что вам нужно тащить на орбиту ненужные баки и двигатели, а еще и теплозащиту, необходимую, чтобы аппарат выдержал вход в атмосферу, парашюты (или крылья). Против вас в этом случае в полной мере снова работает проклятие Циолковского, и вам потребуется ракета циклопического размера с огромным запасом топлива. Именно такие проекты появлялись в 1970-е годы, но эти аппараты массой 10 тысяч тонн или 2,7 тысячи тонн остались только на бумаге.
Более скромный проект — одноступенчатая ракета DC-X — дошла до стадии прототипов, кроме того, Российский ракетный центр имени Макеева время от времени вспоминает свой, пока чисто бумажный, проект «Корона». Однако, похоже, все они опоздали.
«Кузнечик» и его потомки
В 2008 году SpaceX и ее создатель Илон Маск еще только планировали первый полет ракеты Falcon 9, которая сейчас стала главной рабочей лошадкой американской космонавтики. Но первый контракт на доставку грузов на МКС уже был получен, и Илон Маск заявлял, что намеревается сделать свою ракету многоразовой. В 2012 году начал летать «Кузнечик» — стенд Grasshopper, собранный из бака первой ступени ракеты Falcon 9 и одного двигателя Merlin. Он, по словам Маска, научился садиться в нужное место с точностью вертолета.
В отличие от других разработчиков SSTO, Маск не стал сразу замахиваться на одноступенчатую полностью многоразовую ракету. Falcon 9 — вполне традиционная двухступенчатая ракета, и SpaceX решила попробовать сделать многоразовой только первую ступень. Во время самых первых пусков они пытались использовать парашюты, но первая ступень разрушалась при спуске раньше, чем те успевали раскрыться.
Поэтому было решено попробовать посадку только на собственных двигателях первой ступени. Тогда и потребовался Grasshopper — Маск впервые продемонстрировал свою манеру проверять новые технологии с помощью летающих прототипов и стендов.
В сентябре 2013 года была впервые проверена технология управляемого спуска и приводнения первой ступени — пока просто в океан. После нескольких неудачных тестов посадки начали получаться. Сейчас число успешных посадок первых ступеней ракет Falcon 9 достигло 174, а две из них слетали уже 15 раз.
Разумеется, за многоразовость приходится расплачиваться: топливо, необходимое для возвращения, посадочные «ноги» и рули сокращают массу полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту с 22,8 до 17,4 тонны. SpaceX не пытается спасать вторую ступень — ее надо возвращать с орбиты, что требует теплозащиты как у шаттла, поэтому пока они просто сгорают в атмосфере.
Даже с такой неполной многоразовостью Falcon 9 полностью поменяла экономику космической отрасли. Сейчас SpaceX может предлагать цену доставки килограмма груза около 3 тысяч долларов. «Одноклассник» Falcon 9, российский «Протон-М», считавшийся в 2010-е годы самым дешевым вариантом доставки грузов на орбиту, мог обеспечить цену в 8 тысяч долларов за килограмм.
Но вместо того чтобы шлифовать Falcon 9 и превращать ее, например, в полностью многоразовую, Илон Маск начал создавать нечто совершенно другое.
Миллион марсиан
Хотя впервые о разработке сверхмощного двигателя Merlin 2 и некоей ракеты под аббревиатурой BFR Илон Маск сказал еще в 2004 году, полностью раскрыл карты и показал картинки он только в сентябре 2016 года, выступая на Международном астронавтическом конгрессе в Мексике.
Если говорить коротко, то логика Маска выглядит так: рано или поздно Земля может оказаться непригодна для жизни — неважно почему, в результате падения астероида, войны или климатических изменений. Поэтому единственным путем сохранения человечества будет его превращение в многопланетный вид. Единственная подходящая планета, где мы в принципе можем высадиться, — это Марс. Но нам потребуется создать там не просто станцию, а город, который сможет быть устойчивым.
Для этого, по мнению Маска, нужно около миллиона колонизаторов. Чтобы привезти их туда, требуется действительно большой корабль, способный взять на борт хотя бы 100 человек. Причем это должен быть многоразовый корабль: только в этом случае можно сократить стоимость путешествия с 10 миллиардов долларов на человека до относительно приемлемых 200 тысяч. И Маск описал этот корабль: сегодня мы знаем его под названием «Старшип».
С 2016 года облик и название марсианской космической системы существенно поменялись. Например, в 2019 году было решено отказаться от углеволокна в качестве основного материала для постройки в пользу другого, не менее экзотического для ракетостроения материала — нержавеющей стали. Углеволокно обладает экстремальной прочностью, но теряет ее, если мы, например, решим просверлить в нем отверстие.
Что и как уже летало
Многочисленные прототипы и испытательные стенды для «Старшипов» и Super Heavy строятся в Бока-Чике в Техасе. Работа во многих случаях идет прямо под открытым небом, и энтузиасты могут пересчитывать строящиеся ракеты, которых сейчас насчитывается уже около 30 — включая уже разрушенные при испытаниях и еще не достроенные.
Как и в случае с «Грассхоппером», первый полет еще в 2019 году совершил летающий стенд «Стархоппер», похожий на огромную скороварку с ножками и оснащенный единственным двигателем Raptor. Он поднялся на 20 метров и благополучно опустился обратно.
Затем после серии статических испытаний начали летать уже практически полноразмерные прототипы «Старшипов». В мае 2021 года «Старшип» с номером 15 взлетел на высоту около 10 километров, совершил аэродинамический маневр (то есть повернулся «брюхом»), потом вернулся в вертикальное положение и совершил успешную посадку.
Что же такое «Старшип» сегодня?
Самая-самая
Эта система состоит из двух частей: собственно корабля «Старшип», который играет роль второй ступени, и первой ступени — Super Heavy. Это самая мощная и самая большая ракета в истории. Высота конструкции из обеих ступеней — 120 метров (лунные ракеты «Сатурн-5» и Н-1 — 111 метров и 105 метров), а полезная нагрузка на низкую околоземную орбиту высотой около 200 километров — 100–150 тонн (130 тонн у «Сатурна», 90 — у Н-1, 100 — у «Энергии»). Причем обе части — многоразовые, то есть могут возвращаться на Землю и взлетать вновь.
Много моторов
С одной стороны, большое количество двигателей повышает надежность: выход одного-двух из строя, как правило, позволяет не прерывать полет. С другой стороны, вибрация и резонанс, влияние реактивных струй друг на друга могут создавать разного рода неучтенные эффекты — по некоторым данным, именно они привели к авариям советского носителя.
Марсианское топливо
Двигатели «Раптор» на обеих ступенях рассчитаны на топливную пару «метан + жидкий кислород». Сейчас большинство ракет, в том числе Falcon 9, летают на керосине и кислороде; на многих тяжелых ракетах использовались водород и кислород, но метан в качестве горючего пока экзотика. Его пытаются использовать частные космические компании — Relativity Space, LandSpace, — под метан разрабатывается будущая ракета New Glenn компании Blue Origin Джеффа Безоса, но стабильно летающих на метане космических ракет пока нет.
У Маска есть мотив использовать именно метан. Дело в том, что с помощью реакции Сабатье можно производить топливо на Марсе из местного сырья — из воды (на Марсе много водяного льда) и углекислого газа (CO2) из атмосферы. Эту идею впервые предложил Роберт Зубрин, автор проекта Mars Direct, и Маск, разрабатывая сценарий марсианской экспедиции, прямо рассчитывает на этот ресурс.
Многоразовый танкер
Несмотря на поражающую воображение грузоподъемность, «Старшип» не сможет отправиться к Марсу сразу с околоземной орбиты: ему потребуется заправка. Поэтому SpaceX предполагает строить кроме пилотируемых «Старшипов» еще и «Старшипы»-танкеры, которые будут взлетать, стыковаться с пилотируемыми кораблями, дозаправлять их, а затем возвращаться на Землю.
Четырехкрылки
У «Старшипов» четыре поворотных крыла, с помощью которых они смогут маневрировать при входе в атмосферу. Главный маневр в этот момент — они должны будут развернуться к набегающему воздуху «брюхом», то есть стороной, которая покрыта шестиугольными теплозащитными плитками и должна выдержать нагрев.
После того как корабль опустится до небольшой высоты, ему предстоит развернуться двигателями вниз и окончательно затормозить перед посадкой.
Руки — вот они
В теперешней конструкции Super Heavy и «Старшипа» решено отказаться от посадочных «ног». И первую, и вторую ступень во время штатных полетов будет ловить «подмышки» специальными стрелами башня, расположенная на стартовой площадке. Это означает, что Super Heavy придется возвращаться точно на место старта, то есть эти корабли будут тратить относительно больше топлива, чем первые ступени Falcon 9, которых встречают в океане беспилотные баржи, посадочные площадки.
Каким был сценарий первого полета
Примерно через три минуты после старта двигатели Super Heavy должны были выключиться и она должна была отделиться от «Старшипа». Затем первая ступень должна была развернуться, сориентироваться двигателями вниз, затормозить и опуститься в воды Мексиканского залива. Тем временем «Старшип» должен был выйти на орбиту, сделать оборот вокруг Земли, а затем затормозить в атмосфере и опуститься в Тихий океан.