Очень тяжелые носители: как Starship изменит облик космонавтики XXI века
Четыре взрыва и 120 м стального корпуса, поднятые в небо: прототипы
будущей сверхтяжелой ракеты Starship продолжают испытания, несмотря ни
на что. После серии завораживающих полетов и эпических взрывов Илон Маск
подготовил новые испытания космического корабля Starship.
Первый летный вариант конструкции, включающий сверхтяжелую ступень
Super Heavy и прототип SN20, готов подняться до околоземной орбиты – и
на этот раз не взорваться. Но главным результатом этого огненного шоу
станет уникальная, многоразовая и универсальная система, которая изменит
облик космонавтики XXI века.
Весовые категории За
десятилетия, прошедшие с момента запуска ракетой Р-7 первого
искусственного спутника, инженеры придумали огромное количество
разнообразных космических носителей. Самый простой и удобный способ их
классификации – по массе; он хорош еще и тем, что тесно связан с
возможностями и назначением ракеты. Легкие ракеты-носители (РН) могут
вывести до 2–5 т (в зависимости от стандартов, принятых в той или иной
стране) груза на низкую околоземную орбиту, до 2000 км, хотя большинство
спутников остаются на высоте не более 1000 км. Средние РН способны
доставить наверх до 20 т или запустить аппарат поменьше, но на более
высокие орбиты. Например, на геопереходную, с которой спутник уже
самостоятельно поднимется на геостационарную – самую востребованную
орбиту для аппаратов связи, радио- и телевещания. «Союз-2», стартуя с
космодрома Куру, в силах отправить примерно 8 т на низкую орбиту или
около 3 т – на геопереходную. Тяжелые ракеты поднимают на низкую орбиту
до 50 или 100 т, могут довести спутник до геопереходной и даже
геостационарной орбиты, отослать его к Луне, Марсу и еще более далеким
областям Солнечной системы. Идеального веса – и класса РН – нет.
С
одной стороны, чем больше ракета, тем дороже ее произвести и запустить.
С другой, некоторые задачи требуют тяжелых аппаратов, которые не
помещаются на легкие ракеты. А если требуется орбита выше низкой
околоземной, необходимо закладывать отдельный резерв грузоподъемности,
чтобы до нее добраться. Ранее SpaceX весьма удачно угадала с параметрами
Falcon 9: ракета получилась если не идеальной, то универсальной,
позволяя отправлять и корабли (грузовые и пилотируемые) к МКС, и
спутники на геостационарные орбиты. Но у сверхтяжелых носителей особая
судьба.
Поколения «сверхтяжей» Сверхтяжелыми считают РН,
способные вывести более 50–100 т на низкую орбиту. Такие великаны могут
одним стартом поднять тяжелую космическую станцию или отправить на Луну
корабль с людьми. Первое поколение – американская Saturn V и советская
Н-1 – создавалось для пилотируемых полетов к естественному спутнику
Земли. Второе – Space Shuttle – разрабатывали с прицелом на увеличение
количества пусков и снижение их стоимости; система «Энергия – Буран»
появилась лишь как ответ на эту программу.
Прорабатывался
концепт Shuttle-C, в котором челнок заменялся на одноразовую ступень. В
такой конфигурации система космической перевозки (Space Transportation
System, STS) могла бы выводить 50–80 т. Шаттлы оказались очень
интересными аппаратами: они позволили стать космонавтами большему числу
людей, чем любой другой корабль, участвовали в миссиях по возврату
спутников с орбиты или ремонту прямо в невесомости, выводили модули МКС –
но стать системой дешевого доступа в космос не смогли и в итоге
«приземлились» в музее.
Сегодня в распоряжении человечества
имеется только одна сверхтяжелая ракета – Falcon Heavy, да и то
формально. Теоретически она может доставить на низкую орбиту до 63 т,
хотя в реальных пусках выводились лишь гораздо более легкие аппараты –
например, Arabsat-6A массой 6,5 т на геопереходную орбиту. Еще несколько
носителей активно разрабатываются. На ноябрь 2021 года в США
запланирован первый полет сверхтяжелой системы SLS, предназначенной для
новой лунной программы (грузоподъемность 95–130 т на низкую орбиту,
27–47 – на отлетную траекторию к Луне). В Китае идут работы над
Changzheng 9, который сможет выводить до 150 т на низкую орбиту или 53 –
к Луне. На их фоне Starship выделяется не слишком: на низкую
околоземную орбиту он будет поднимать до 100–150 т. Но главная разница
состоит в планах и концепции применения этих сверхтяжелых ракет.
Выход Starship Для
SLS пока запланировано всего три полета: беспилотные испытания в 2021
году, пилотируемый облет Луны в 2023-м и полет с высадкой людей на ее
поверхность в 2024-м. Changzheng 9, как ожидается, тоже будет
использоваться для пилотируемой лунной программы. А вот Starship
предполагает множество вариантов и модификаций. Грузовая версия для
доставки полезной нагрузки на орбиту и на Луну, танкерная – для заправки
других модификаций на низкой околоземной орбите, лунная – для взлетов с
поверхности спутника, а еще пилотируемые суборбитальная (для
пассажирских перевозок) и орбитальная. В более отдаленной перспективе
ожидается и модификация Starship для полетов к Марсу – главной цели,
заявляемой Илоном Маском.
Впрочем, Маск, даже мечтая о Красной
планете, остается бизнесменом, поэтому важной целью для Starship
является снижение стоимости выведения на орбиту. Разработчики Space
Shuttle планировали опустить цены до 40–100 долл. за килограмм, однако
просчитались: в итоге шаттлы оказались одними из самых дорогих
носителей. У Starship цель еще более сложная – довести стоимость до 10
долл. за 1 кг. Для сравнения: у существующих ракет эта цена, как
правило, колеблется от 3000 до 10 000 долл. Если разработка Starship
завершится успешно и все цели будут достигнуты, ракета станет
универсальной, способной выводить любые полезные нагрузки на разные
орбиты и при этом самой дешевой – даже если отправлять ее полупустой.
Земная база Небольшая
деревенька Бока-Чика в Техасе, у самой границы с Мексикой, превратилась
в полноценный космодром. За считаные месяцы здесь появились
монтажно-испытательные корпуса, стартовый комплекс, вспомогательные
сооружения и стильная надпись Starbase – «Звездная база» – у главного
входа. Летом 2019-го на базе прошли два успешных полета упрощенного
прототипа Starhopper: модель поднялась сначала на 20 м, а затем на 150.
Год спустя состоялся старт образца, уже обозначенного как Starship SN5 –
хотя по-прежнему оставшегося цилиндром с одним двигателем. Зато зимой
2020–2021 годов настал черед более продвинутых прототипов, оснащенных
тремя двигателями и аэродинамическими органами управления.
SN8
поднялся на высоту 12,5 км, успешно развернулся боком, проверяя
аэродинамическое снижение, включил двигатели, опустился кормой вниз – и
разбился из-за падения тяги. SN9 поднялся на 10 км, повернулся – и упал
из-за не включившегося вовремя двигателя. SN10 выполнил такую же
полетную программу – и сгорел после слишком жесткой посадки. SN11
взорвался в воздухе. Невольно возникают ассоциации с историей разработки
советской «лунной» ракеты Н-1. Как и Н-1, Starship производится тут же,
на месте, и почти сразу испытывается в полете. Но если Н-1 погубили
четыре крайне дорогих и неудачных пуска полностью собранного летного
экземпляра, то Starship намеренно разрабатывается итеративно, от простых
испытательных стендов ко все более сложным конструкциям. А на
испытаниях технику целенаправленно выводят за границы эксплуатационных
ограничений, так что неудачи приносят лишь дополнительную информацию.
По следу шаттлов А
еще Starship похож на шаттл. Но не на его финальный вариант, а на
первоначальные проекты. Многие отличия появились позднее, став
результатом вынужденного компромисса разработчиков в 1970-х. Так, шаттлы
вполне могли обойтись без больших крыльев, но военные потребовали
обеспечить возможность маневров в атмосфере и выполнения миссии за один
виток, чтобы не попасть на радары советской системы контроля
космического пространства. Маск же в силах воплощать целостное видение
назначения и требований к конструкции и исправлять прежние недоработки.
Притчей
во языцех стали сложности с теплозащитным покрытием кораблей серии
Space Shuttle. 24 300 керамических плиток – каждая уникальной формы –
требовали совершенно нерациональных трудозатрат на изготовление,
установку и проверки. Starship изначально делается с учетом этого опыта:
его плитки почти идентичны, а значит, их можно производить серийно.
Кроме того, плитки шаттлов клеились на корпус, а в Starship используется
механическое крепление, что создает необходимый люфт для смещения при
температурном сжатии и расширении металлических стенок криогенных баков.
Как и шаттлы, Starship будет многоразовым. Как и в них, на
носителе не предусмотрены системы спасения: в SpaceX планируют
наработать высокую надежность на беспилотных модификациях, и
пилотируемый вариант полетит лишь после нескольких сотен таких запусков.
Первый из них должен состояться уже в ближайшее время.
Возвращение на базу Череда
«испытательных взрывов» закончилась 5 мая 2021 года. Прототип SN15,
поднявшись на те же 10 км, развернулся и, успешно проведя
аэродинамическое снижение, совершил мягкую посадку. Фокус работ SpaceX
тут же сместился на подготовку орбитальных испытаний. К началу августа
сборка прототипа SN20 была завершена. Его установили на прототип
сверхтяжелой ступени-ускорителя Super Heavy BN4, получив самую высокую
ракету в истории – 120 м до вершины головного обтекателя. На момент
подготовки материала испытательный полет еще не был объявлен, однако его
программа уже известна: стартовав со «звездной базы» в Бока-Чика,
тяжелая ступень должна отделиться и совершить мягкое приводнение в
Мексиканском заливе.
Сам корабль SN20 поднимется на орбиту с
очень низким перицентром (нижней точкой) – в районе 80 км. Это
гарантирует сход с орбиты даже в случае отказа всех систем корабля. Но
если все пойдет по плану, то, совершив чуть меньше полного витка,
Starship вернется в плотные слои атмосферы и приводнится в районе
Гавайских островов, где разработчики поднимут его из воды.
Использовать
повторно ни SN20, ни BN4 не планируется: первые экземпляры РН Starship
слетают только по одному разу, поскольку каждое испытание приведет к
слишком большим изменениям в конструкции. Ближайшие несколько лет
пройдут в активном тестировании все новых и новых версий. Маск заверяет,
что к полноценным полетам Starship перейдет в 2023 году. Однако Илон
давно признает свою склонность к излишнему оптимизму в оценке если не
будущего, то сроков его прихода.
Материалы публикуемые на "НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ" это интернет обзор российских и зарубежных средств массовой информации по теме сайта. Все статьи и видео представлены для ознакомления, анализа и обсуждения.
Мнение администрации сайта и Ваше мнение, может частично или полностью не совпадать с мнениями авторов публикаций. Администрация не несет ответственности за достоверность и содержание материалов,которые добавляются пользователями в ленту новостей.
