В ракетостроении бывает так, что изделия, довольно похожие внешне по компоновке и габаритам, часто имеют радикальные различия в техническом дизайне, функциональности и характеристиках. В данной статье мы обратим внимание на две крупномасштабные ракетные системы: Falcon Heavy от SpaceX и Delta IV Heavy от United Launch Alliance (ULA).
Delta IV Heavy относится к семейству ракет, разработанному ULA для удовлетворения потребностей американского министерства обороны и коммерческих заказчиков. Введенная в эксплуатацию в начале 2000-х, эта ракета была спроектирована с учетом строгих требований к надежности и мощности. Её характерной особенностью является использование трех однотипных ускорителей первой ступени - Common Booster Cores (CBS). За всю историю эксплуатации, эта машина совершила 15 полетов в космос, 14 из них - полностью удачно. Среди таких полетов можно отметить тестовый запуск нового лунного корабля Orion от NASA.
С другой стороны, Falcon Heavy – это продукт новаторского подхода SpaceX. Она имеет аналогичную схему, первая ступень представляет собой комбинацию из трех ускорителей Falcon9 Block5. Это позволяет ей выводить на орбиту значительно больше груза, чем основная рабочая лошадка SpaceX - "единичная" версия Falcon9 без боковых ускорителей. Falcon Heavy была успешно введена в эксплуатацию в 2018 году. На данный момент она совершила 7 полностью успешных полетов в космос, включая знаменитую PR-акцию Илона Маска по доставке электрокара Tesla в космос.
С точки зрения компоновки, обе ракеты представляют собой "тройную" конструкцию с центральной ступенью, окруженной двумя боковыми ускорителями таких же размеров. Что касается габаритов, Falcon Heavy имеет общую высоту приблизительно 70 метров, тогда как Delta IV Heavy лишь немного превышает этот показатель, достигая 72 метров.
Сравнительные характеристики каждого из ускорителей:
- Falcon 9 Block 5:
Высота: примерно 47 метров
Диаметр: 3,7 метра
Двигатели: 9 двигателей Merlin 1D
Сухая масса: примерно 22,2 тонны
Масса топлива: около 410,9 тонн (керосин и жидкий кислород)
- Common Booster Core (CBC):
Высота: примерно 49 метров
Диаметр: 5 метров
Двигатели: 1 двигатель RS-68A
Сухая масса: около 26 тонн
Масса топлива: около 226,4 тонн (жидкий водород и жидкий кислород)
Эти первоначальные сходства, однако, маскируют ряд существенных технических и функциональных различий.
Когда речь заходит о доставке груза в космос, две самых важных характеристики ракеты-носителя — это масса выводимой на орбиту полезной нагрузки и стоимость одного запуска. На первый взгляд может показаться, что схожие ракеты должны иметь сопоставимые показатели в этих вопросах, но на деле различия в дизайне и технологиях могут привести к существенным различиям в эффективности и стоимости.
Falcon Heavy, при использовании максимального запаса топлива, способна выводить на низкую околоземную орбиту (НОО) до 63,8 тонн полезной нагрузки, в то время как Delta IV Heavy может выводить примерно 28,4 тонны. Это заметное превосходство, делает разработку SpaceX ракетой сверхтяжелого класса, в то время как детище ULA относится к ракетам тяжелого класса.
Что касается стоимости запуска, Delta IV Heavy исторически обходилась примерно в $350 млн за один запуск, в то время как Falcon Heavy, благодаря усовершенствованным технологиям и методам производства, предлагает стоимость запуска в районе $100 млн. Так благодаря чему же достигается такое кратное различие в физических и экономических показателях?
Топливная пара является одним из основных факторов, определяющих характеристики ракеты, включая стартовую массу и массу выводимой полезной нагрузки, удельный импульс двигателя и сложность конструкции. И дело здесь не в том, что аналогично автомобильной отрасли, существует существенная разница в цене за единицу разных видов топлива. На самом деле для любой ракеты, стоимость топлива составляет лишь несколько процентов от общей цены запуска. Гораздо более важны физические характеристики, рассмотрим их на примере:
Delta IV Heavy использует в качестве горючего жидкий водород (H2) и жидкий кислород (O2) в качестве окислителя. Эта комбинация обеспечивает ряд преимуществ, таких как высокий удельный импульс двигателя, что теоретически позволяет ракете достигать более высоких скоростей при одинаковом количестве топлива. Однако жидкий водород имеет важную особенность, которая может быть как плюсом, так и минусом - у него крайне низкая плотность, всего 0,07 кг/л. Это означает, что для хранения одной и той же массы H2, по сравнению с более плотным топливом, таким как керосин (плотность 0,8 кг/л), требуется гораздо больший объем топливного резервуара. Именно поэтому, несмотря на сопоставимые размеры ракет, Delta IV Heavy имеет на борту около 630 тонн топлива, а Falcon Heavy несет около 1340 тонн.
Falcon Heavy, использует комбинацию керосина и жидкого кислорода. Этот выбор обеспечивает ракете меньший удельный импульс, но увеличивает массу топлива, которое может быть размещено в ракете. Именно бóльшая масса топливной смеси позволяет увеличить и массу доставляемой на орбиту полезной нагрузки, обеспечивая ракете от SpaceX двукратное превосходство.
Следует также учесть, что хранение и использование жидкого водорода требует сложных и дорогих технологий охлаждения, поскольку жидкий H2 нужно хранить при температуре около -253°C. Это делает топливные системы и баки ракеты Delta IV Heavy более сложными и дорогостоящими по сравнению с Falcon Heavy.
Поговорим более подробно, как выбор топливной пары влияет на стоимость проекта.
Жидкий водород предоставляет ряд преимуществ, но технологии, связанные с его производством, хранением и использованием, являются сложными и дорогими. Обозначенная сложность является следствием сверхтекучести жидкого водорода - он способен просачиваться через самые микроскопические поры и щели в конструкции, поэтому для работы с этим топливом нужна колоссальная точность изготовленных деталей. Помимо этого, поддержание работы всех систем при сверхнизких температурах требует особых материалов и специализированных инженерных подходов.
В частности, криогенный двигатель RS-68A спроектирован специально для работы с водородом и отличается высокой стоимостью производства и эксплуатации. Delta оборудована тремя такими двигателями, и стоимость каждого из них оценивается примерно в $20 млн.
Falcon Heavy, в свою очередь, использует "керосиновые" технологии, которые проще и дешевле в производстве. Двигатель Merlin 1D, применяемый в этой ракете является результатом оптимизации процессов производства и унификации, что значительно снижает его стоимость. И хотя сверхтяжелый носитель от SpaceX оборудован 27 такими двигателями, стоимость каждого из них составляет всего около $1 млн.
Однако главное преимущество Falcon Heavy заключается в её (частичной) многоразовости. Боковые ускорители ракеты, а также, в некоторых случаях, центральная ступень, могут быть возвращены на Землю и использованы повторно. Этот подход значительно уменьшает стоимость одного запуска, так как основные компоненты ракеты не теряются после каждого полета.
В результате, простота керосиновых технологий и технологии реиспользования в Falcon Heavy делают её экономически более привлекательной по сравнению с Delta IV Heavy, что отражается в их относительной стоимости запуска.
Две рассмотренные ракетные системы на первый взгляд могут показаться очень похожими, особенно если рассматривать их внешний вид. Однако за этой визуальной схожестью скрываются значительные различия в технологиях и финансовом аспекте.
Эволюция ракетостроения в последние десятилетия прошла путь от узкоспециализированных проектов к унификации и оптимизации. SpaceX с его ракетой Falcon Heavy является ярким примером такого направления, интегрируя в свои проекты принципы массового производства, реиспользования и модульности. Именно благодаря этим подходам компания смогла существенно снизить стоимость запусков, при этом увеличивая надежность и безопасность своих ракет.
Delta IV Heavy, будучи продуктом "старой школы", более традиционного подхода к ракетостроению, представляет собой технологически сложное и дорогостоящее изделие. Она символизирует эру, когда каждая ракета создавалась как уникальное инженерное изделие для конкретных задач.
Итак, для неискушенного наблюдателя может показаться, что в течение последних десятилетий развитие ракетной техники было незначительным. Однако, углубившись в тему становится понятно, насколько серьезные результаты могут быть достигнуты при внедрении свежих инженерных подходов.