18 ноября 2023 года частная космическая компания SpaceX осуществила второй запуск сверхтяжелого двухступенчатого монокорабля Starship с частного космодрома Starbase в Бока-Чико, штат Техас. Примерно через 2 минуты полета произошло горячее разделение ступеней. Затем у первой ступени произошли несколько отказов двигателей, и она взорвалась при попытке тормозного маневра. Вторая ступень преодолела линию Кармана, достигла высоты 148 км за 8 минут, после чего была взорвана системой прекращения полета до достижения целевой высоты. Руководство SpaceX считает результат испытательного полета успешным, назвав его "быстрой незапланированной разборкой".
Чем второй запуск отличается от первого?
Серьезным улучшениям подвергся стартовый стол — установлены дефлекторы огня — конструкции, отводящие реактивную струю под баллистическими углами. Кроме того, вибрации и температуру от старта гасила система гейзеров. В итоге стартовый стол на этот раз не был разрушен.
SpaceX модифицировали автоматическую систему безопасности полетов, в том числе систему пожаротушения первой ступени. Холодное разделение ступеней заменено на горячее, и процесс разделения прошел успешно. Управление вектором тяги было изменено с гидравлической на электрическую.
Что пошло не так?
На третей минуте полета после горячего разделения у первой ступени Super Heavy отказали несколько двигателей, и тормозной маневр произвести не удалось. Есть предположение, что отказ двигателей спровоцировал отток топлива из нижней части баков из-за отрицательных перегрузок при разделении. У второй ступени через восемь с половиной минут произошла утечка топлива. По заявлениям SpaceX, первая ступень взорвалась сама, а второй подали команду на уничтожение из целей безопасности.
SpaceX Starship — это не ракета-носитель
В космической фантастике, например, в Star Trek, туда, где не светит Солнце и не ступала нога человека отправляются на многоразовых одноступенчатых монокораблях с большим сроком службы (более 5 лет). Это значит — ровно то, что взлетает с планеты, может совершить посадку — и так несколько раз. Впрочем, корабль USS Enterprise NCC-1701 из оригинального сериала не злоупотреблял возможностью садиться и взлетать с планет, предпочитая использовать телепорт. Космонавтика XXI века такой возможностью не располагает, и обычно маленький корабль выводит в космос огромная многоступенчатая ракета-носитель, сама при этом падая на землю. Собственно, "носитель" — это в прямом смысле, то, что несет пилотируемый космический корабль или автоматический космический аппарат.
SpaceX Starship устроен не так. Вторая (верхняя) ступень — это монокорабль как USS Enterprise, только он слишком тяжелый и недостаточно мощный для самостоятельных полетов в космос. Однако он мог бы летать между городами, как и предлагал Илон Маск в 2017 году. Монокораблю Starship требуется ускоритель в виде первой ступени как для полетов в дальний космос, так и для дальних перелетов на Земле. Ускоритель тоже многоразовый и должен самостоятельно возвращаться на Землю для подготовки к следующему запуску. Получается легкий оксюморон: Starship - монокорабль из двух частей.
Самая большая ракета
Оксюморон легкий, а ракета сверхтяжелого класса, самая большая и самая мощная ракета в истории человечества. Starship побил рекорд по силе тяги первой ступени, который более 50 лет принадлежал советской ракете Н1.
Лучшее, чем могут заняться любители космонавтики — рассчитать, куда может добраться корабль. Для этого нужно применить формулу Циолковского для каждой ступени ракеты и для корабля отдельно. Удельный импульс ракетного двигателя минимален на уровне моря. Атмосферное давление создает сопротивление реактивной струе. В процессе взлета ракеты влияние атмосферы снижается, а скорость истечения реактивной струи повышается, что приводит к росту удельного импульса. Какое же значение подставить в формулу? Можно взять максимальное, тогда результат нужно будет уменьшить на значение скорости, поглощенной влиянием атмосферы. Точных данных по потерям на атмосферу у SpaceX Starship у нас нет, поэтому возьмем значение для потерь первых двух ступеней ракеты-носителя Союз и немного увеличим.
Кажется, для марсианской миссии самой большой ракете в истории придется еще немного подрасти. Или можно будет сбросить 3 км/с за счет гравитационного маневра. Впрочем, планы по увеличению Starship у Илона Маска были.
Что не так с многоразовостью?
Казалось бы, если использовать технику не один раз, а много, это дешевле и эффективнее. Космический корабль, который не разваливается на части, а возвращается в том же виде в котором взлетел — логичное и воодушевляющее предложение космической фантастики. Проблема в том, что при старте ракеты механические и термические нагрузки очень высоки. Если они превысят предел прочности конструкционных материалов, ракета накопит пластические деформации, которые ухудшат характеристики для следующего запуска. С каждым новым стартом запускать многоразовую ракету становится все опаснее. В одноразовых ракетах электроника может использоваться повторно, а корпуса ракет изготавливают заново из соображений безопасности.
Есть мнение, что у полностью многоразовой космонавтики нет будущего, и это было рассчитано еще в 70-х годах. Но это фантазии конспирологов. Предел прочности конструкции зависит не только от свойств материалов, но и от формы. Проектировщики придумали фрезеровать внутреннюю поверхность баков для повышения прочности и устранять все возможные концентраторы механических напряжений. У каждой конструкторской школы свои приемы, как и у каждой ракеты — свои нюансы. Предсказать безопасный ресурс ракеты по внешнему виду и уж тем более на 50 лет вперед — невозможно. Даже у самих авторов подобный прогноз может не сбыться. Решить вопрос многоразовости поможет только практика — новые испытания.
Считать ли запуск успешным?
Продукт испытаний — это информация. Если испытания дали больше ответов, чем вопросов — они успешны. Но это в общем. В случае SpaceX, Федеральное управление гражданской авиации США проведет расследование причин взрыва Starship. Если причины устранимы и нет потенциальной угрозы безопасности, управление выдаст разрешение на следующий запуск. Кроме того, для запуска требуется разрешение Службы охраны рыбных ресурсов и дикой природы (рыбнадзор США). Предыдущее расследование управления заняло пол года. Текущий запуск можно будет считать успешным, если с разрешением на следующий не будет проблем.
