«Было очень весело, если честно, ха-ха!»
SpaceX Starship SN10 — последний герой нашего расследования. Судьба отвела от него угрозу быть задетым ни искореженными обломками собрата, ни баллонами COPV, отлетающими на метры от мест крушения SN9. Однако его полет был отложен фактически на две недели из-за одолевающих Техас холодов. На стартовой площадке «Десятке» оставалось только молчаливо ожидать стадии финального отчета в компании тестового бака SN7.2, на чью долю выпала участь быть уничтоженным по причине разрыва давления изнутри.
С возобновлением тестирования SN10 прошел два огневых теста вместо четырех или шести, что частично подтверждает выводы, сделанные нами в финале второй части.
По словам главного идеолога SpaceX, у SN10 ожидались существенные изменения в посадочном маневрах, цитата по Твиттер [1]:
Elon Musk: В следующий раз попробуем метод «Pull Up» [Тяни вверх! Нос выше!]
MadOverlord: Почему для посадки используется только 2 двигателя? Любой отказ двигателя означает потерю корабля, таким образом, у вас есть две отдельные точки отказа. Почему бы не использовать все три двигателя, сделать посадочный манёвр разворота, затем выбрать два лучших работающих двигателя и выключить третий?
Elon Musk: Мы были слишком тупы.
Everyday Astronaut: Конечно, SpaceX — не тупы, Илон Маск — пошутил, но они определенно пытаются получить всё от этих первых испытательных полётов, и, безусловно, есть возможности для улучшения. Вероятно, в будущем мы увидим какие-то обновления в этом посадочном манёвре.
Elon Musk: С нашей стороны было глупо не запускать 3 двигателя и сразу выключить один из них, так как для приземления нужны только 2 двигателя.
Adam Klotz: Можно ли будет применить эти изменения в испытательном полёте прототипа SN10?
Elon Musk: Да.
Alex: Не будет ли безопаснее зажечь 3 двигателя и дросселировать их тягу для посадки на случай отказа одного из двигателей?
Elon Musk: Да, но у двигателей есть минимальное положение дроссельной заслонки, когда есть риск возгорания, поэтому посадка на 3 двигателя означает большую тяговооружённость, что также рискованно [Маск имеет в виду, что при достижении определённой точки прототип может снова начать набирать высоту из-за показателя тяговооружённости, т.е. отношения силы тяги к силе тяжести].
Josh Bickett: А это [отключение нужного двигателя] будет определяться, на основе данных, доступных сразу после перезапуска?
Elon Musk: Да. По умолчанию, двигатель с наименьшим плечом рычага выключится, если все 3 двигатели будут исправны в этот момент.
Everyday Astronaut: Когда-нибудь этот рычаг не будет иметь большого значения, когда вы перейдете к двигателям на горячем газу, верно? Они станут достаточно мощными для разворота, и основные двигатели не понадобятся, верно? Или двигатели всегда будут нужны, чтобы облегчить разворот даже с двигателями на горячем газу?
Elon Musk: Интуитивно это может показаться так, но двигатели Raptor с турбонасосами имеют гораздо более высокую тягу и массовую долю топлива, чем двигатели на газу под давлением, ну и потом они уже есть. И удельный импульс выше.
Adam Klotz: Значит ли это, что на данный момент вы останетесь на холодном газу?
Elon Musk: Будут использоваться маневровые RCS [двигатели системы управления ориентацией) с горячим газом, поскольку они примерно в 5 раз более эффективны, чем азотные (300 секунд удельного импульса против 60 секунд].
Не забудем упомянуть фразу Илона Маска, что «для приземления нужны только два двигателя», поскольку становится понятным то, что отключение двигателя на SN8 было плановым. Вероятно и то, что в процессе совершенствования технологии разворота и посадки, не будут использоваться основные двигатели для перехода Starship из горизонтального в вертикальное положения, что напоминает ранние концепции разворота SN8 (см. выше). Однако решение подобное сильно увеличит безопасность при посадке.
Становится очевидной причина, по который SN8 не осуществил посадку на трех двигателях, как планировалось ранее. При превышении положения дроссельной заслонки увеличивается риск возгорания и, как известно, тяга двигателя дросселируется только до 40%. С вычислением необходимого ТВР справится бортовой компьютер, правильно построив траекторию снижения.
К слову, Илон Маск, комментируя симуляцию телеметрии полета SN9 от Flight Club, упомянул:
«Хороший анализ. Мы работаем над снижением минимального возможного положения дроссельной заслонки двигателя Raptor, чтобы обеспечить резервирование двигателей во время посадки» [2].
Запомним — пригодится.
Так как та самая проблема с тем самым малым давлением в посадочном метановом баке была решена, то этот способ переворота внушает большее доверие, чем переворот на двух двигателях. И здесь можно привести слова Илона Маска на счет шансов на успешную посадку для Starship SN10, цитата по Твиттеру [3]:
Marcus House: Итак, SpaceX скоро попытаются провести ещё один полёт, на этот раз с прототипом SN10! Смогут ли они сделать посадочный манёвр и успешно приземлиться? Это хороший вопрос. Что вы думаете?
Elon Musk: Вероятность успеха при приземлении на этот раз составляет ~ 60%.
В сравнение приведем шансы на успех полета SN8. Маск оценивал успех подъема в 1 : 2, посадки в 1 : 3, цитата: «Надеюсь, [сегодня] полёт состоится. Шанс выполнить все задачи миссии 1 : 3». Да, SN8 смог-таки идеально выполнить подъем на высоту 12,5 км, что внушало уверенность в успех посадки SN10 более, чем при прошлых итерациях. В ознаменование миссии SpaceX даже нанесли свой логотип на посадочную площадку, что добавило оптимизма всем — и команде «Спэйсов», и её поклонникам по всему миру.
3 марта 2021 года. Полигон Бока Чика. Штат Техас, США. Долгожданный старт, мир замер в ожидании, но «что-то опять пошло не так» — аппарат твердо стоит на земле: Raptor Abort! Вопреки пессимистичным ожиданиям у SN10 не было замечено проблем с двигателями, они оказались в программном обеспечении прототипа. В противном случае проверка двигательных систем и повторные огневые тесты оттянули бы полет минимум на неделю.
«Прерывание пуска произошло из-за слегка консервативной [заниженной] установки лимита тяги двигателей [т.е. такой лимит ограничил возможность двигателей набрать тягу выше установленного предела]. Мы увеличим настройку лимита и попробуем снова. Необходимо слить топливо, и заново заправить прототип» — дал комментарий событиям Илон Маск [4].
Поскольку SpaceX очень хочет успеть к Марсу в 2026 году, она была была не SpaceX, если бы ни предприняла вторую попытку запуска. Третий прототип для высотных суборбитальных полетов взмыл в небо в 23:15 UTC. Горение восстановительного газа в двигательном отсеке не наблюдалось, работ трех двигателей Raptor осуществлялась в штатном режиме. Аппарат поочередно отключал двигатели и, наконец, перешел в фазу свободного падения. Приняв горизонтальное положение, управляя закрылками, SN10 плавно шел к точке приземления. Последовало включение всех двигательных установок, верхние «плавники» приняли стартовое положение, нижние послушно сложились, аппарат остановился во вращении и завис в воздухе с некоторым наклоном. Следом были отключены сразу два двигателя — 3D-модель посадочного маневра анонсировал C-bass Productions Сhannel.
Но заметим, что предполагалось поочередное отключение двух двигателей, а не одновременное, как произошло на деле. Если бы посадка SN10 планировалась на двух двигателях, аппарат бы перевернулся. Значит, маневр должен был осуществиться на одном двигателе, как в случае с SN5. Можно было заметить и то, что после переворота прототип занесло вперед, и рабочему двигателю пришлось банально выравнивать этот «косяк», что подтверждает доводы о том, что тяги трех двигателей слишком много для осуществления успешных посадок. Заметим, что у SN8 посадочный манер (на двух двигателях) был точнее.
SN10 предстояло развернуть опоры: стало понятно — они не раскрылись. Аппарат приземлился на большой скорости, смяв под собой опоры, и после касания многотонная махина свершила повторный прыжок на высоту около 1,5 метров. Во время и после посадки наблюдалось возгорание в районе двигательного отсека. Наземная система пожаротушения сработала безукоризненно, но мы не исключаем возможности продолжения внутри отсека. Напомним, что схожая ситуация наблюдалась у SN6, но горение было потушено. Также после посадки у SN10 не происходило вентинга, а через 8 минут Бока Чика оглушил мощный взрыв: следуя словам Илона Масква, SN10 перешел в небесный чертог Валхалла, да так, что верхнюю часть аппарата подбросило на сотню метров!
Причины взрыва «Десятки» не были озвучены — SpaceX сохраняла долгое молчание:
«В среду, 3 марта, компания SpaceX успешно завершила третье высотное испытание прототипа корабля Starship. После взлёта и стадии полёта Starship SN10 успешно выполнил посадочный манёвр с повторным зажиганием всех трёх его двигателей, а затем, после их последовательного отключения, прототип успешно приземлился на посадочной площадке! Лётные испытания были захватывающими, но это было ещё не всё, вскоре после приземления с SN10 произошла быстрая внеплановая разборка (RUD). В целом, это был отличный день для команды разработки Starship. Испытательные полёты нужны нам, чтобы улучшить понимание разработки полностью многоразовой космической системы, предназначенной для перевозки экипажа и грузов в длительных межпланетных полётах и помощи человечеству в возвращении на Луну, путешествий на Марс и дальше. Поздравляем команду разработки Starship и всех в SpaceX с проведением этих лётных испытаний!» [4]
ИТАК, ПОЧЕМУ ЖЕ ПРОТОПИП STARSHIP SN10 НЕОЖИДАННО ВЗОРВАЛСЯ ПОСЛЕ УДАЧНОЙ ПОСАДКИ?
Обратимся к видео-трансляции тестового полета: за доли секунды до взрыва отчетливо виден черный дым из нижних дренажей; после рядом с одним из нижних плавников образовалась щель, из которой наружу вырвался жидкий кислород. Учитывая зону образования щели, вероятным считается разгерметизация шва, соединяющего нижнею переборку бака окислителя (она находится внутри двигательного отсека), и его корпус. От напора один плавник слетел с оси, что отчетливо видно на кадрах трансляции.
Первым предположением, озвученным в интернет-среде, был намеренный подрыв аппарата посредством Flight Termination System (FTS) — системы прерывания полета при нештатной ситуации. Однако после RUD «заряды» сняли с корпуса. Заметим, что в этот момент конус обтекателя был смят. Как вариант, перепад давления, но данная версия не оправдывает себя: обтекатель герметизирован и для подобного исхода необходимо, чтобы давление внутри него стало меньше, чем давление воздуха. «Сминание» произошло из-за взрыва, начавшегося в двигательном отсеке, в результате корпус аппарата объяла взрывная волна, предшествующая «второму суборбитальному прыжку» SN10.
Версия первая. Взрыв пошел из стыка нижней переборки бака и бака окислителя. Вначале произошла разгерметизация, потом — взрыв. Вероятно, что «обратный прыжок» SN10 на 1 метр вверх нарушил герметичность баков, либо топливопроводов, что вызвало потерю контроля и появление трещин по корпусу аппарата за доли секунды до взрыва.
Пожар был локализован снаружи, но внутри двигательного отсека возгорание продолжалось, что послед разгерметизации швов добавило искру, которая и спровоцировала RUD прототипа. Если бы у SN6 были бы проблемы с баками, все бы наверняка закончилось более чем печально. Исход не удивителен: SN10 осуществил жесткую посадку прямиком на двигательный отсек, смяв опоры, и попытался «улететь» куда повыше от огнедышащей плахи.
Кроме этого, есть связь между не состоявшимся разводом опор и отсутствием слива топлива из баков. Отсутствие фиксации опор могло быть вызвано потерей пневматики. Вспомним второй огневой тест SN8, когда отказала пневматика прототипа, что повлекло невозможность слива окислителя из малого бака из-за потери контроля над клапанами. Тогда разрывной клапан осуществил слил оставшийся криогенный окислитель из малого бака, предотвратив RUD.
Версия вторая. Отказ пневматики при посадке привел к тому, что опоры не смогли зафиксироваться. Он же не позволил SpaceX вентилировать топливные баки, что стало причиной повышение давления и появления трещин в самом уязвимом месте — стыковом шве бака окислителя и двигательного отсека, поскольку именно он претерпел самые высокие нагрузки при посадке. Далее по версии первой: пожар заставил топливную смесь «разорвать» SN10 на части. Исходя из того, что обе версии схожи, можно заключить, что...
ПРИЧИНОЙ ВЗРЫВА ПРОТОТИПА STARSHIP SN10 СТАЛА СОВОКУПНОСТЬ ФАКТОРОВ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ БАКОВ ОТ ПРЕВЫШЕННЫХ НАГРУЗОК ПРИ ЖЕСТКОЙ ПОСАДКЕ И ВОЗГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЬНОМ ОТСЕКЕ АППАРАТА.
К первому привел отказ части опор и высокая скорость приземления аппарата (SN5 осуществил более мягкую посадку), от последнего в настоящих итерациях мы пока не застрахованы. Возвращаясь к SN5, массу обтекателя симулировал балласт, установленный сверху прототипа, поэтому аппараты садились по схожей схеме. Даже если при посадке SN10 отказала гидравлика, что послужило причиной отказа опор и что могло послужить причиной такой скорости при посадке? Почему аппарат так сильно занесло в сторону, что при посадке он описал «волну»? Илон Маск отчасти ответил на этот вопрос на своей официальной странице в Твиттер [5]:
Elon Musk: Тяга двигателя при посадке по неизвестным на сегодняшний день причинам была более низкой, вопреки установленным на программном уровне более высоким её значениям. Мы такого раньше не видели. В следующий раз, как минимум два двигателя [будут работать] во время приземления, а третий будет перезапущен, если у них возникнут проблемы.
Pranay Pathole: Если бы опоры раскрылись правильно... была бы посадка SN10 более мягкой?
Elon Musk: Нагрузки на опоры были намного больше допустимых. Их сильно раздавило.
Если бы можно бы было дросселировать тягу всех трех двигателей для посадки, то не потребовалось бы сомнительного перезапуска третьего двигателя, ведь оставалось бы просто повысить его тягу. Тем не менее, можно сказать, что посадка на одном двигателе все-таки была плановым решением. Но история, как известно, не терпит сослагательного наклонения.
Потому именно здесь начинается «Территория заблуждений». Еще при наборе высоты у факелов двигателей немного отличался цвет — один из них имел более сильный желтый окрас, что свидетельствует, как и о проблемах в самих двигателях, так и в системе наддува. То есть, еще на начальном этапе полета были проблемы с распределение компонентов топлива в нужных пропорциях для каждого двигателя.
Также при перезапуске наблюдалось зеленое пламя — этакий призрачный привет от SN8. Возможно, для трех двигателей система наддува не смогла равномерно распределить метан, но такой вариант был крайне маловероятен. Опять же, даже при посадке цвет пламени двигателе разнился. Возможно, это последствия их быстрой замены, но то — далеко не факт. Есть вероятность ошибки в программном обеспечении, что не более чем теория. К слову, зеленое пламя наблюдался не только при запуске двигателей, но и после отключения одного из них. Интересно и то, что в то же время через сопло продолжал активно выходить газ.
На кадрах трансляции заметно, что возгорание, которое продолжалось после посадки, было порождено не потоком стравливаемого газа из нижних дренажей, а струями из выключенных двигателей. Очевидно, что после отключения двух двигателей из них все еще шла топливная смесь. Во время захода на посадку струи поменяли цвет пламени на фиолетовый, что указывает на неправильную концентрацию топлива и окислителя. После этого газовый поток одного из двигателей был окрашен в зеленый цвет, что говорит о присутствии меди в процессе горения. На высоте около 50 метров над местом касания от пламени двигателя загорелся стравливаемый газ в области правого «плавника». Подобные вспышки часто происходят при отключениях двигателей, но не грозят возгоранием корпуса. Пример: отключение первого двигателя при наборе высоты SN10.
Предположения о падении тяги двигателе SN10 были высказаны автором настоящего расследования еще до нижеизложенного официального разъяснения Илона Маска, цитата по Твиттер [6]:
Austin Barnard: Незадолго до того, как SN11 был установлен на стартовый стол сотрудники SpaceX тестировали каждую посадочную опору прототипа. У SN10 были проблемы с опорами. Надеюсь, на этот раз они развернутся должным образом.
Elon Musk: Двигатель SN10 имел низкую тягу из-за (вероятного) попадания гелия из топливного посадочного бака. Прототип ударился о посадочную площадку снижаясь со скоростью 10 м/с, были раздавлены опоры и часть "юбки" двигательного отсека. Работаем над множеством исправлений в прототипе SN11.
Chris B. NSF: Это каверзный момент, учитывая, что в посадочный метановый бак гелий был добавлен специально, чтобы исправить то, что произошло с SN8 при посадке. Именно поэтому они [SpaceX] и тестируют это.
Elon Musk: Справедливое замечание. Если бы мы использовали автогенное повышение давления, пузырьки метана, скорее всего, превратились бы в жидкость. Гелий в баке использовался для предотвращения излишнего расплёскивания метана по баку, которое произошло в предыдущем полёте. Моя вина, что я одобрил это. В то время это звучало неплохо.
Everyday Astronaut: Существуют ли перегородки в будущих конструкциях для предотвращения выплёскивания?
Elon Musk: Там были перегородки, но можно было действовать по принципу всасывания пузырьков сверху уровня жидкости/газа, будто трубочкой. Что-то подобное произошло на раннем запуске Falcon-1, что привело к неожиданно большому количеству остатков жидкого кислорода при отключении главного двигателя.
Из диалога становится ясно, что проблемы SN8 были связанны с расплёскиванием топлива по баку. Именно эту проблему пытались решить сменой газа наддува с азота на гелий. То есть, в полете SN8 не происходила разгерметизация топливопровода. В случае с «десяткой» попадание гелия в камеру сгорания, вероятнее всего, изменило пропорции соотношения топлива и окислителя, что сказалось на цвете факела двигателя (что и наблюдалось при наборе высоты). Возможно, при полете следующего прототипа — Starship SN11 — будет использоваться автогенный наддув, как и планировалось изначально. Что касается опор, то команда SpaceX вручную протестировала каждую из них.
И, наконец, Илон Маск подтвердил то, что именно медь является причиной зеленого окраса пламени факелов двигателей, цитата по Твиттер [7]:
Jack Beyer: Интересно, что это за зелёная вспышка? Если бы это был Falcon 9, ответ был бы - TEA-TEB [смесь для зажиганияс, но Raptor использует искровые воспламенители [свечи]. Это было видно во время зажигания двигателей для посадочного манёвра SN10, особенно когда стартовали последние из них.
Elon Musk: Зелёное пламя в данном случае означает, что двигатель сжигает внутренние компоненты, изготовленные из меди. Обычно за этим следует RUD [быстрая незапланированная разборкам].
Нет сомнений , что Илон Маск красноречиво оптимистичен. К его личности, как и фантастическим проектам можно относится противоречиво. Их можно критиковать, ими можно воторгаться, но несомненно одно: Маск — мечтатель, а именно таким Мироздание дает право и на ошибки, и на успех. Следуя словам Владимира Сурдина — российского астронома, кандидата физико-математических наук, доцента физического факультета МГУ, старшего научного сотрудника Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга ГАИШ МГУ и активного популяризатора науки, именно эти ребята сегодня делают будущее и, по словам Маска, «однажды настоящим мерилом успеха будет то, что полеты Starship станут обычным явлением» [8].
Напомним, что проект Starship один из перспективных для SpaceX и мировой космонавтики в целом. Именно этим звездолетам предстоит осуществить Лунную и Марсианскую программы. Финальная версия Starship предполагает наличие шести двигателей Raptor. Надежда прогрессивной части человечества удивит не только мощностями, но масштабами: в состав звездолета нового типа войдут сразу две полностью возвращаемые части корабль Starship, длина которого составит 50 метров, и стартовый ускоритель Super Heavy, высотой 70 метров.
По поводу Raptor. Команда в Хортоне совершенствует двигатель, делая его более отказоустойчивым и надежным; к концу 2021 года его тягу составит 250 тс, что необходимо для орбитального пуска.
На сегодня, 25 марта 2021 года, известно, что на прототипе Starship SN11 идут работы по замене двигателей. Максимум, что мы можем ожидать — это огневые тесты. Испытательный полет отложен на день-два, аккурат, к Международному дню театра: будем верить, что нас ожидает феерическая мистерия, а уж это «Спэйсы» умеют устраивать и в том равным им нет (пока)! Так или иначе, мы только в начале пути.
МАРС, МЫ ИДЁМ!
© Давид ГУБАНОВ
Права защищены. При использовании материалов ссылка и цитировании текста на публикацию и канал обязательна.
ИСТОЧНИКИ:
[1] Elon Musk : @elonmusk : Technoking of Tesla : Official Twitter page. – 2021. – 4 Febr.
[2] Elon Musk : @elonmusk : Technoking of Tesla : Official Twitter page. – 2021. – 13 Febr.
[3] Elon Musk : @elonmusk : Technoking of Tesla : Official Twitter page. – 2021. – 14 Febr.
[4] Elon Musk : @elonmusk : Technoking of Tesla : Official Twitter page. – 2021. – 3 March.
[4] Starship N10 High-Altitude Flight Test // SpaceX Official Wedsite. – 2021. – 4 March.
[5] Elon Musk : @elonmusk : Technoking of Tesla : Official Twitter page. – 2021. – 6 March.
[6] Austin Barnard & Elon Musk : @austinbarnard45 & @elonmusk : Official Twitter pages. 2021. – 6 March.
[7] Jack Beyer & Elon Musk : @thejackbeyer & @elonmusk : Official Twitter pages. 2021. – 6 March.
[8] Pranay Pathol & Elon Musk : @PPathole & & Elon Musk : Official Twitter pages. 2021. – 4 March.