«Оказывается, можно заставить летать, что угодно!»
3 марта 2021 года аэрокосмическая компания SpaceX провела третьи по счёту высотные испытания прототипа межпланетного корабля Starship. Однако столь долгожданная и успешная посадка новейшего сверхтяжелого ракеты-носителя оставила дымный след: через 8 минут после приземления побережье Коперника затянула едкая волна гари – на посадочной площадке прогремел мощный взрыв. Мы попытаемся дать оценку недавним событиям в Бока Чика «от первого лица», опираясь на данные видео-трансляций LabPade, официальные заявления SpaceX и основателя компании Илона Маска.
Для ответа на вопрос о возможных причинах взрыва Starship SN10 обзорно рассмотрим историю суборбитальных прыжков прототипов Starship за всё время тестирования с одной оговоркой: за давностью событий опустим момент испытаний демонстратора Starhopper 28 августа 2019 года, определив его миссию на сегодня как заштатного «прыгуна» с функциями сторожила – водонапорной башни с элементами штатива для видеокамер компании.
4 августа 2020 года. Полигон Бока Чика. Штат Техас, США. Именно здесь должен стартовать прототип новейшего марсианского звездолёта Илона Маска. Его серийный номер – «5». Задачей является подъем на высоту в 150 метров над Землей с применением одного двигателя Raptor, использующего в качестве топливной пары метан-кислород. Данному виду двигателей принадлежит рекорд по давлению в камере сгорания 268,9 бар, что выше, чем у российского двигателя РД-180. По параметрам тяги он является одним из самых мощных – 2,1 МН, или 210 тс, хотя истории ракетостроения известны иные варианты, такие как двигатель первой ступени РН «Сатурн-5» – F-1 корпорации Boeing (1967), тяга которого достигала 690 тс. На подходе отечественный РД-171МВ с тягой в 800 тс, планируемый к использованию на РН «Союз-5» («Иртыш»), а также на первой ступени будущей ракеты-носителя сверхтяжелого класса «Енесей». Четырехкамерный, неофициально прозванный «Царь-двигателем», он несомненно будет гордостью НПО «Энергомаш». Характеристики же Raptor планируют улучшить до тяги в 300 тс, что соответствует заявленным данным в анонсированном проекте Interplanetary Transport System (ITS) – ранней версии SpaceX Starship (2016).
Вторичная цель – успешная посадка на шести малых выдвижных опорах, использующих гидравлику. Опоры являются одноразовыми и амортизируют корабль при посадке посредством «сминания» самих же себя, точнее –вкладышей внутри них. Для совершения аппаратом повторного полета, необходимо будет заменить данные опоры. В будущих итерациях проекта они должны стать многоразовыми. В данном полете не будут использоваться аэродинамические поверхности («плавники») и обтекательные конструкции. Однако для симулирования веса обтекателя на Starship SN5 стоит «балласт». На этот прототип возлагают большие надежды – полеты на 150 метров, 3 и 20 км соответственно. К тому же, у него есть брат-близнец – Starship SN6.
Почему 3 и 20 км? На официальной презентации первого полноразмерного прототипа марсианского звездолета Starship Mk1 29 сентября 2019 года Илон Маск назвал именно эти цифры для испытательных полетов [1]. Забегая вперед, оговорюсь, что этот прототип совершит всего один полет.
После единственного тестового прожига наступает время запуска. Аппарат заправляют, идет предстартовый отсчет, зажигание двигателя и кислородно-метановая бочка взмывает в небо, зависает и успешно движется к посадке. Над площадкой поднимается столб дыма, аппарат раздвигает опоры и скрывается под завесой смога. Через секунды становится очевидным: SN5 успешно стоит на земле.
Однако в этом успешном полете были свои минусы. Первым, что бросается в глаза, отлетающие от стартового стола конструкции, сорванные пламенем двигателя и лишь чудом не задевшие SN5 в самом начале полета. Точнее, это были поврежденные металлические листы для передвижения персонала по стартовому столу. Пламенем двигателя был охвачен и разъем GSE, отвечающий за подключение топливных линий к прототипу. Однако двигатель находился не «по центру» двигательного отсека, то есть вектор тяги был не соосен с центром масс ракеты. Из-за этого в программное обеспечение были вложены алгоритмы «выправления полета». По этой же причине было заметно и небольшое наклонение аппарата, что отчасти спасло SN5 от неминуемой встречи с опасными обломками.
Далее по голливудскому сценарию «что-то пошло не так» — в конструкции двигателя проступило желтое пламя. Послед SpaceX подтвердит теорию о горении восстановительного газа, образующегося после сгорания избытка топлива при недостатке окислителя. Возгорание не повлияло на судьбу SN5, поскольку закончилось до его посадки. Опоры раскрылись и зафиксировались. Дросселируя тягу двигателя, аппарат успешно выполнил поставленные задачи. Однако по приземлению обнаружился факт «косплея» Пизанской башни – прототип приземлился под углом. Это легко объяснить выше упомянутым УВТ, заставляющим корабль совершать посадку под наклоном. Поэтому с одной стороны опоры были смяты более, чем с другой. Неизвестно, было ли на SN5 противопожарное оборудование, но после посадки возгорания не наблюдалось.
Фактически через месяц, старший брат SN5 смог совершить свой прыжок. Полет повторял программу предыдущего: старт, подъем на высоту 150 метров, разведение посадочных опор и посадка. «Starship SN6 совершил полёт так же, как и SN5, но это было намного более плавно, и прыжок подготовлен быстрее», – дал комментарий событиям Илон Маск на своей странице в Твиттер [2].
Первыми тревожными звоночками стали малые недочеты. Во время полета SN6 горение восстановительного газа в системе двигателя не наблюдалось, аппарат успешно приземлился, но после посадки в двигательном отсеке было замечено пламя. В тушении был задействован один из пожарных стволов посадочной площадки, очаг возгорания был локализован.
Следом подошла очередь более серьезных прототипов, которым предрекали революционный скачек в итерациях последующих полетов Starship, но вопреки ожиданиям, Starship SN7 и его модификации успешно выполнили миссию «камикадзе», послужив инструментами для тестирования на максимально возможные значения давления.
По первоначальным планам именно Starship SN8 должен был пройти серию прыжковых испытаний на высоте от 500 метров. Апофеозом его карьеры должен был стать 20-километровый прыжок с выполнением посадочного разворота и мягкого касания поверхности. Аппарат выдержал прожиг без обтекателя и интеграцию обтекателя с основной частью прототипа на стартовом столе. Во время третьего статического огневого испытания у SN8 была выявлена проблема с последующей заменой двигателя. Прототип прошел четыре прожига, прежде чем отправится в долгожданный полет. Наперекор надеждам, полет был единичным, а его высоту несколько раз снижали: с 20 км она упала до 18,3 км, затем до 15 км, а конечная стала равной 12,5 км.
Планировалось, что у SN8 произойдет отключение всех двигателей после того, как его траектория достигнет запланированного апогея и аппарат перейдет в горизонтальное положение. Используя аэродинамические поверхности, прототип будет совершать управляемый спуск, а когда до поверхности останется несколько сотен метров, он посредством двигателей ориентации (RCS) и «плавников» (нижние сложатся, а верхние перейдут в стартовое положение) совершит переворот, запустит все три двигателя и приземлиться с их помощью на посадочную площадку. Вторично выяснилось, что аппарат должен свершить «маневр парашютиста» — переворот в воздухе с помощью двух двигателей, а затем — посадку. Маневр был показан на симуляции посадки Starship во время презентации проекта 29 сентября 2019 года (см. выше).
Стало понятно, что для SN8 задача в разы усложнилась, нежели для SN5 и SN6. Впоследствии основатель SpaceX прокомментирует то словами: «SN8 будет использовать три двигателя Raptor. Если SN8 погибнет, сразу после него будет SN9 и SN10. Высокий темп производства позволяет выполнять более быстрые итерации прототипов» [3]. Вдогонку Илон Маск приоткроет завесу тайны порядковых номеров орбитальных прототипов в диалоге с подписчиками в Твиттер:
Matt: Это настоящее безумие! Сразу SN8, 9, 10 и 11! Как вы думаете, какой прототип корабля сможет достичь орбиты первым, когда SpaceX начнут проводить уже орбитальные испытания?
Elon Musk: Предполагаю, что в середине второго десятка прототипов. Ускоритель и интеграция прямо на площадке для орбитальных пусков, вероятно, наши ограничивающие факторы. Мы построим несколько кораблей, чтобы ещё улучшить нашу производственную систему. [4]
8 декабря 2020 года. Полигон Бока Чика, штат Техас, США. Прототип корабля Starship с серийным номером «8» должен впервые пройти испытания на большое высоте. Ход полета: взлет, отключение двигателей, переход прототипа в горизонтальное положение, перелив топлива и окислителя в посадочные баки, посадочный маневр на трех двигателях, посадка. За 1,3 секунды до старта запуск был автоматически отменен, но уже через сутки SN8 все-таки смог оторваться от земли. Далее ждал «сюрприз» – последовательное отключение двигателей с применением технологий управляемого вектора тяги.
Известно, что нештатный отказ двигателей по причине несоосности вектора тяги с центром масс ракеты заставит аппарат перевернуться. Даже УВТ не в помощь – приводы управления не успеют отклонить оставшиеся двигатели в нужном направлении. Ситуация более рискованная, чем разовое отключение все трех двигателей. Вместе с тем, такой подход уменьшает результирующие перегрузки, действующие на аппарат перед отключением двигателей. При поочередном отключении каждый двигатель SN8 на короткое время штатно воспламенял оборудование, находящееся рядом. При работе одного двигателя корабль перемещался больше в горизонтальной плоскости, чем в вертикальной. На итог, SN8 успешно прошел испытание акустическими и вибрационными нагрузками от трех двигателей Raptor, а также перегрузками в полете. Он выполнил маневр последовательного отключения двигателей и переворот в горизонтальное положение.
Далее, как и предполагалось, прототип начал управляемый спуск с помощью «плавников». Когда высота над землей приблизилась к отметке в 500 метров, SN8 начал посадочный маневр, но последовал очередной «сюрприз» – третий двигатель не включился. Если бы обстоятельство не было бы предусмотрено программой полета, то корабль потерял бы управление и не смог совершить запланированный переворот. Вопреки тому SN8 произвел «Belly Flop» на двух двигателях и переориентировался в вертикальное положение. Самый маневр был выполнен — дело встало за посадкой. Но согласно теории вероятностей, вновь «что-то пошло не так»: второй двигатель поразило ярко зелёное пламя, затем последовало его отключение.
По неофициальным источникам телеметрии полета SN8 от Flight Club [5], в момент включения двигателей скорость прототипа составила 77 м/с, а при отключении первого двигателя 30 м/с. Скорость аппарата поддерживалась на этой отметке с помощью единственного работающего двигателя вплоть до момента касания. Данные, конечно, приблизительные, но последующие за ними выводы объективны:
- Если бы SN8 не запустил двигатели, то его скорость каждую секунду увеличивалась бы на 10 м/с (см. школьный курс физики 9 класса). Единственный работающий двигатель смог поддерживать скорость прототипа на уровне 30 м/с, что, согласно Первому закону Ньютона, означает, что тяга двигателя в таких условиях фактически равнялась весу аппарата.
- Поскольку нормальная тяга двигателя составляет 2,1 МН, то можно легко опровергнуть теории, называющие массу прототипа в 200 т. Если бы масса SN8 составляла 200 т, то его вес был бы равен 2 МН, что делает невозможным совершение посадки на одном двигателе, как то продемонстрировано на примере SN5. Нетрудно подсчитать в таком случае ТВР: 2,1 : 2 = 1,05. При таком низком ТВР даже с минимальном запасе компонентов топлива аппараты взлетали бы медленно. Тогда, при вертикальном взлете (без учета запаса топлива) ускорение составляло бы всего ≈ 0,05 м/с. Получить данный результат можно, произведя вычитание 1 из ТВР, и получив оставшийся излишек без гравитационных потерь, далее перемножив этот результат на тягу одного двигателя Raptor, то есть 2,1 МН в штатном режиме работы. Тогда чистая тяга без гравитационных потерь равна (1,05 - 1) · 2,1 = 0,105 МН, а ускорение ≈ 0.05 м/с. И это только с учетом штатных характеристик работы двигателя! В случае SN8 двигатель работал на пределе своих возможностей.
- Заслуживает внимание и то, что при падении тяга этого двигателя была заметно ниже нормальной. Если вес прототипа составлял 2 МН, то тяга, необходимая для поддержания скорости при падении, должна быть равна тем же 2 МН. Нормальная тяга двигателя Raptor составляет выше упомянутые 2,1 МН.
Возникает вопрос: о каком значительном падении может идти речь?! Понятно, что при падении с 500 метров никакая аэродинамика не сможет снизить скорость с 77 м/с до 30 м/с. С учетом этих незамысловатых расчетов нетрудно понять, что реальная масса SN8 составляет максимум 160 т.
Интересны предположения о происхождении зеленого пламени, появление которого свидетельствовало о катастрофическом снижении тяги двигателя.
Версия первая: Вспышка системы зажигания двигателей. Однако подобное зажигание не используется на двигателях Raptor, а лишь на двигателях Merlin. Система Raptor предполагает использование электроискрового зажигания. Подобная вспышка должна происходить перед каждым включением, чего не состоялось. Тогда непонятно, почему вспышка наблюдалась после зажигания.
Версия вторая: Форсация двигателей. Тогда нетрудно построить логическую цепочку: из-за малого давления в топливных баках в двигатель стало поступать меньше метана, что стало причиной потери тяги. Но в богатой кислородом среде начали сгорать медные оболочки камеры сгорания, что и окрасило пламя в зеленый цвет, в нашем случае с сильным колером.
Версия третья: Гидродинамический удар, который мог возникнуть в результате переворота аппарата с подачей топлива из посадочных баков. Вследствие удара происходит разрыв топливопроводов и дестабилизируется работа двигателей. Аналогом служит история запусков РН «Н-1» (СССР).
В этом ключе важно обосновать расположение посадочных баков вне основных в целях предотвратить смещение центра тяжести аппарата. Однако посадочный бак метана находится фактически внутри основного, а бак окислителя – вверху обтекателя. Из-за расположения на оба бака будут по-разному действовать нагрузки, а центробежная сила будет изменять скорость тока компонентов топлива по топливопроводам, что приводит к риску гидродинамического удара после резкой остановки вращения по оси крена. Даже при торможении двигателями с помощью УВТ часть необузданной силы «поддаст газу» в двигатели, что может нарушить их штатную работу.
Для приблизительной оценки последствий такого удара можно подсчитать центробежную силу через среднюю скорость вращения аппарата, которая составит около ≈ 6,544 м/с. Время посадочного маневра в 6 секунд подсчитано из официального видео SpaceX. Также было принято, что аппарат прошел ровно 90º в перевороте. В реальности имело место быть небольшое отклонение от вертикали. За радиус обозначена половина высоты SN8 (50 метров), поскольку переворот совершался относительно указанной точки. Учитывая вес аппарата, это покажется малым, но значение отвечает общему весу посадочного топлива и окислителя — 30 т, что соответствует весу в 300 кН.
Потому посадочный метан будет постепенно ускорятся в топливопроводе, так как посадочный бак находится у точки, вокруг которой и происходит переворот, и у разводки топливопроводов на него будет действовать примерно указанная сила вдобавок к собственному весу и давлению вытеснительного газа. После окончания переворота поток метана уменьшится, что скажется на работе двигателей. В связи с чем, странным является факт малого давления в баке метана, поскольку с посадочным баком окислителя все гораздо сложнее. Он находится «в макушке», да и компонента топлива в нем больше, чем в баке метана. Сам топливопровод фактически проходит через всю длину корабля. При перевороте центробежная сила будет стремиться не допустить кислород к двигателям, в то время как на второй половине «пути» он будет ускорятся под ее действием.
Остановка вращения добавит кораблю перегрузок, но данный факт вряд ли скажется на работе аппарата. Разрушительным окажется следующее: когда вращение будет остановлено двигателями, то тонны кислорода через топливопровод хлынут к двигательному отсеку, за чем последует нехилый гидродинамический удар. Для того, чтобы нивелировать последствия «Belly Flop», необходимо правильно разработать систему наддува посадочных баков. Поэтому эту задачу нельзя считать легкой или незначительной.
Свет на тайну «джедайского меча», исходящего из сопла двигателя Raptor, пролило официальное заявление SpaceX, последующее послед взрыва SN8:
«В среду, 9 декабря [по местному времени.], прототип Starship с серийным номером 8 (SN8) стартовал с нашей стартовой площадки в округе Кэмерон. Он взлетел, переключился на посадочные баки и выполнил посадочный манёвр, точно управляя «крыльями», чтобы достичь точки приземления. Низкое давление в топливном посадочном баке во время посадки привело к высокой скорости приземления прототипа, что в свою очередь привело к жёсткой посадке. Спасибо всем местным жителям, поддерживающим нашу работу в округе Кэмерон и за его пределами. Поздравляем всю команду Starship и SpaceX с сегодняшним тестом! Следующим в полёт отправится прототип Starship SN9! Марс, мы идём!» [5].
Продолжение следует…
© Давид ГУБАНОВ
Права защищены. При использовании материала и цитировании текста ссылка на публикацию и канал обязательна.
________________
ИСТОЧНИКИ:
[1] Starship Update // SpaceX : Official Youtube Channel. – 2019. – 29 sept.
[2] Elon Musk : @elonmusk : Official Twitter pages. – 2020. – 4 sept.
[3,4] Matt – Elon Musk : @elonmusk & @ErcXspace : Official Twitter pages. – 2020. – 15 sept.
[4] How to simulate a Starship launch! // Flight Club : Youtube Channel. – 2020. – 15 dec.
[5] Starship SN8 выпускает полет // SpaceX : Official Website. – 2020. – 9 dec.
© Official SpaceX Photos // Flickr : American image hosting and video hosting service, as well as an online community.