Статья была опубликована на сайте nix.ru 6 лет назад, в 2020 году, и здесь печатается с небольшим сокращением. Речь идёт о том, какие испытания проводил Илон Маск в 2020 году. Давайте вспомним, с чего всё начиналось. Когда вы дойдёте до последнего рисунка, то узнаете, что выход космического корабля на орбиту у Маска был запланирован на декабрь 2020 года. Но вот уже июнь 2026 года наступил, а "Старшип" так и не смог выйти на орбиту.
Кто-то может подумать, что эти фотографии мы выкладываем для смеха. Но это не совсем так. Подлинная фантастика творится на новейшем «Южно-техасском космодроме» Илона Маска. От увиденного там у любого инженера глаза на лоб полезут.
Он пытается построить сверхтяжелую ракету как в романах Жюля Верна. То, что происходит на «заводе» SpaceX близь поселка Бока-Чика на самой границе с Мексикой, на самом деле потрясает основы аэрокосмической индустрии. Там уже год строят и испытывают прототипы ракеты-носителя сверхтяжелого класса Starship – «Звездного корабля», с помощью которой Маск намерен колонизировать Марс. Система должна стать полностью многоразовой. Первая ступень Super Heavy массой 3500 т с 37 кислородно-метановыми двигателями Raptor после старта сможет совершать реактивную посадку на Землю, как это делает первая ступень Falcon 9. Для сравнения: весь Saturn V имел массу 3000 т. Вторая ступень с шестью двигателями Raptor – собственно «Звездный корабль» массой 1400 т – окажется способна не только выводить на орбиту более 100 т груза или 100 человек в отдельных каютах, но и совершать аэродинамический спуск в атмосфере с последующей реактивной посадкой, а в перспективе самостоятельно прилуняться и примарсианиваться.
На фото выше изображены первая ступень Super Heavy (справа), вторая ступень Starship (в центре и на руках у Маска), а также проектный вид первого прототипа – Starhopper.
Но поражает не это. По словам Маска, операционные затраты на каждый старт Starship не будут превышать… 2 млн долларов, из которых 900 тыс. – цена топлива. Озвучены планы по выпуску до двух Starship в неделю. Проектной целью, по словам главного инженера Space X Джессики Андерсон, объявлена возможность совершать каждым кораблем в среднем три полета в день, что даст приблизительно 1000 стартов в год. Каким образом это возможно? А вот каким.
Обычно, иллюстрируя планы Маска, вниманию публики предлагают замечательные компьютерные картинки, вроде этой.
А вот фотографии того, что реально происходит в Бока-Чика, впечатляют куда больше. Мы привыкли, что создание космической техники – это цеха с особо чистой атмосферой, люди в белых халатах и шапочках, высочайшая культура производства, тщательный контроль за всеми технологическими операциями, потому что любая пылинка, упавший с головы волос, любое отклонение от «чертежа» могут привести к катастрофе. Забытая стружка в баке означает разрушение двигателя. Да что стружка: даже плохо обезжиренный трубопровод может привести к взрыву. Именно поэтому создание ракетно-космической техники занимает многие годы и стоит миллиарды долларов.
И вдруг мы наблюдаем такую картину: прототипы «Звездных кораблей» собирают… прямо на улице с помощью автокранов и автопогрузчиков.
Пока Маск спешно набирал собственных сварщиков по объявлению, работы проводила строительная (!) компания-подрядчик Caldwell Tanks, ведущий в США специалист… по водонапорным башням (вагончик этой компании виден рядом с местом изготовления первого прототипа, а сварщики Caldwell с гордостью пишут в блогах о своей работе «на космос»). Выглядит забавно, поэтому следует сделать необходимые пояснения для тех, кто решил, что все эти фотографии здесь только для смеха.
Чем занимается в Бока-Чика Маск, на наш взгляд, понятно. Он строит не просто сверхракету, а «завод навыворот». Производство начинается в чистом поле, а уж потом возводится необходимая инфраструктура. Маск очень спешит на Марс. Но дело не только в спешке.
Можно подумать, что если сейчас прототипы собирают на улице, то это не значит, что так будет всегда. Действительно, на этих фото видно, как изменилась производственная площадка SpaceX в Техасе за год. Инфраструктура растет. На днях, кстати, на территории появилась оранжевая будка с надписью Zeus, в которой поселилась… шагающая собака-робот от Boston Dynamics. И все же эта новостройка и сегодня больше напоминает скопище складских ангаров, чем ультрасовременное предприятие.
Возможно, на предыдущем фото были плохо видны детали, но вот вам вид одного из цехов «космодрома».
И такой подход к делу осуществляется вполне сознательно. Сейчас, например, в Бока-Чика начали завозить металлоконструкции для сооружения огромного здания вертикальной сборки высотой 81 м для Super Heavy. Между тем, весь супертяж будет иметь высоту 118 м, а это значит, что окончательную его сборку будут все также проводить прямо на улице, что станет, по словам того же Маска, настоящим приключением.
Почему принято такое решение? Напомним, что знаменитое Здание вертикальной сборки NASA на мысе Канаверал, в котором собирали Saturn V, Space Shuttle и будут собирать SLS, имеет высоту 160 м. Но на его строительство в 1960-х годах потратили 117 млн, что в переводе на сегодняшние деньги эквивалентно 948 млн баксам. Миллиард долларов за один только «гараж» для ракеты! Маск на весь проект Falcon 9 потратил меньше – всего 850 млн.
Кому-то может показаться, что мятые и неряшливо сваренные прототипы, которые вы увидите на фото дальше, это всего лишь экспериментальные установки для каких-то отдельных специфических испытаний. В самом деле, к чему заботиться о чистоте аэродинамических обводов первого прототипа, если он предназначался лишь для подскока на 150 м со скоростью автомобиля. Чем дешевле – тем лучше. Но, во-первых, все это было бы верно, если бы прототипы успешно выполняли свою функцию. Между тем из шести уже испытанных – пять лопнули или взорвались. И несмотря на это прямо сейчас, по все той же «мятой» технологии, в Бока-Чика идет сооружение прототипа SN8. Согласно текущим планам SpaceX, его полет должен произойти в конце этого года и стать… орбитальным. То есть груда неряшливо сваренного металла на стройплощадке – это и есть он, «Звездный корабль». Илон Маск вполне сознательно лепит «говнолеты», как прозвали его изделия в сети. Полюбуйтесь же на то, как идет эта работа.
Когда в прошлом году на «заводе», который представлял собой огороженный сеткой пустырь в техасской степи, начали сооружать первый прототип под названием Starhopper («Звездный прыгун»), не только местные жители, но и специалисты думали, что идет строительство водонапорной башни. Потом кто-то из наблюдателей пошутил, что диаметр «водокачки» приблизительно равен 9 метрам, что соответствует диаметру Starship, и как будет здорово, если SpaceX построит водонапорную башню в виде «Звездного корабля». Действительность превзошла самые смелые ожидания. Любопытно, что изначально Starhopper предполагалось снабдить носовым обтекателем, как это видно на одной из иллюстраций выше, но его сдуло ветром, и Маск решил не заморачиваться с такими мелочами. И так сойдет.
Обычно при испытаниях на технику наносят линейки и геометрические фигуры с заранее известными размерами, чтобы легче было оценивать перемещения и деформации объекта. В случае Starhopper специалисты SpaceX ограничились фигурой человека, нарисованной, видимо, для масштаба. Ее корявость можно принять за шутку: ручки, ножки, огуречик – получился человечек. Но обратите внимание на качество отделки «аэродинамических поверхностей»! Конечно, конкретно при данном виде низкоскоростных и маловысотных испытаний чистота обводов значения не имеет, но водонапорные башни и те выглядят аккуратней.
Наземные огневые испытания Starhopper 16 июля 2019 года закончились пожаром. СМИ поспешили сообщить, что прототип сгорел. И тем не менее…
…25 июля 2019 года, то есть спустя всего 9 дней после пожара, «водокачка» совершила подскок на высоту 28 м, а 27 августа – на 150 м, после чего оба раза успешно приземлялась на посадочную площадку неподалеку от завода. Это был, кстати, первый полет нового кислородно-метанового двигателя Raptor. Кислородно-метанового двигателя у «Роскосмоса», например, еще нет, несмотря на большой советский задел в этой области и тот факт, что в «Роскосмосе» работает 250 тыс. человек, а в SpaceX – 8000. 22 июня Илон Маск, кстати, объявил о новом мировом рекорде Raptor – достигнуто давление в камере сгорания 300 атм. Наверное, все это еще раз убедило главу SpaceX, что он на верном пути к Марсу.
После успеха с «Прыгуном» началось сооружение второго, полномасштабного прототипа под названием Mk1, на котором планировалось совершить подскок высотой 20 км. Вот как он сооружался. Ему уже и крылья приделали. Кстати, энтузиастом применения в конструкции нержавеющей стали – именно стали, а не традиционного дюралюминия – стал Илон Маск лично. Причем инженеры SpaceX категорически высказывались за углепластик и первые пробные баки были именно углепластиковыми, но Маск настоял на своем: сталь более жаропрочна, она прочнее при криогенных температурах, она технологичнее в производстве, проще в эксплуатации, а главное – дешевле. Килограмм углеродного волокна стоит 135 долларов, и 35% его уходит в брак в процессе формовки изделия, а 1 кг листовой стали стоит 3 доллара. Специалисты SpaceX для первых прототипов выбрали обычную сталь марки AISI 301, которая широко применяется в промышленности.
Вот как «сборочный цех» аэрокосмического предприятия SpaceX в Техасе выглядел в конце прошлого (2019) года, когда сооружался Mk1. Если кто-то думает, что сверкающая красавица ракета, словно сошедшая со страниц фантастики 50-х годов прошлого века, – это всего лишь макет, то сообщаем, что в тот момент, а именно – в ноябре 2019 года, Маск всерьез говорил, что третий подобный прототип – Mk3, строительство которого в тот момент уже началось – будет предназначаться для орбитальных испытаний. Однако этим планам не суждено было сбыться.
Во время испытаний на наддув жидким азотом стальные баки не выдержали, и в полет Starship Mk1 отправился лишь частично. Прототип лопнул при 4,9 бар. Между тем рабочее давление наддува в баках Starship должно составлять 6 бар, а при запасе прочности 40% нужно обеспечить целостность конструкции при 8,5 бар.
После этого ребята поняли, что проблема требует более серьезного подхода. Строительство Mk2 и «орбитального» Mk3 прекратилось, и SpaceX начал один за другим сооружать три прототипа SN1, SN2 и SN3 для более тщательных испытаний. Любопытно, что эта фотография на сайте неофициального PR-агентства Маска снабжена следующей подписью: «По словам главы компании Илона Маска, этот большой металлический цилиндр в действительности представляет собой одну из секций первого орбитального прототипа Starship. Рабочие варят секции на улице, и в жару, и в дождь».
В объявлении на сайте SpaceX о приглашении сварщиков на завод в Техасе перечислены следующие требования: «Способность работать стоя, на коленях, склонившись, изогнувшись верхней половиной тела. Работа в экстремальных условиях на улице: жара, холод, дождь. Выдерживать воздействие дыма, запахов и шума. Быть готовым к переработкам и работе в выходные».
Результат работы сварщиков на свежем воздухе оказался соответствующим. Итоги испытаний на наддув всех трех последующих прототипов всякий раз выглядели приблизительно вот так.
Но все плохое когда-нибудь заканчивается. Наконец был построен прототип SN4, который выдержал аж 7,5 бар. На него установили двигатель Raptor и стали готовить к подскоку. Вот как это чудо техники выглядело издали. Нижеследующие кадры позволят еще более подробно увидеть процесс созидания «Звездных кораблей» Маска вблизи.
Вот, например, монтаж секций с помощью домкрата. Маску в Америке некому подсказать, что эта технология недостаточно эффективна. Ведь можно обойтись ломом и кувалдой.
Обратите внимание, с какой тщательностью подогнаны панели обшивки «Звездного корабля».
Еще более яркий пример качества сборки. Блестящая (местами) работа!
А это сопла двигателей ориентации. Отверстия под них, похоже, вырубали зубилом.
Видимо, в месте крепления крыльев конструкции потребовалось усиление. И она была усилена.
А вот еще одно изящное конструкторское решение какой-то проблемы с местной прочностью.
Очень уж высокие технологии.
Техническая документация в виде надписей мелом прямо на металле. Здесь написано: «Отходы. Не резать. Использовать для тестовых плит и окон для стыковки НЛО».
Наконец, вишенка на торте: монтаж балласта, который имитирует вес полезной нагрузки.
Внутри «полезной нагрузки», изображенной выше, – два рулона стального проката массой 25 т. Очень изящное решение.
Монтаж оборудования впечатляет. Особенно умиляют приклеенный скотчем полиэтилен «с пупырышками» для защиты от внешних воздействий. Но и его, как видим, не хватило.
Вероятно, это кулеры для охлаждения электроники, вставленные в окно для стыковки НЛО.
Тестовые плитки керамической теплозащиты, которые должны уберечь Starship от перегрева при входе в атмосферу. Две штуки, как видим, отвалились еще до испытаний. Любопытно, что одна из причин, по которой Маск настаивал на использовании стали, это возможность отказаться от дополнительной теплозащиты при входе в атмосферу: двойные стальные стенки должны были охлаждаться прокачкой компонентов топлива. Но, видимо, с практической реализацией этого замысла возникли сложности, что заставило Маска задуматься о теплозащите.
И, наконец, подборка совершенно шедевральных кадров. Работники Маска сварганили вполне приличную, не слишком даже мятую секцию бака и приготовились к ее монтажу. Но тут подул ветер и изделие в результате сложных геометрических метаморфоз сложилось в своего рода «фигвам».
Для Starhopper использовался прокат толщиной 12,5 мм. Для дальнейших прототипов толщину уменьшили до 4 мм с соответствующими последствиями при испытаниях на наддув. В дальнейшем предполагается уменьшить толщину баков до 2 мм. Видимо, на этих фото мы наблюдаем попытки сделать тонкостенные баки дешево и быстро, то есть на улице и без оснастки. Кстати, давление в 8,5 бар при диаметре цилиндрического бака 9 м дает растягивающую нагрузку на стенки толщиной 2 мм 19 575 кг/см2. При этом предел прочность 301-й стали при температуре минус 196 составляет 1350 МПа (при комнатной температуре, кстати, всего 750 МПа), то есть 13 766 кг/см2. Если стенки делать толщиной 4 мм, как в прототипах, то нагрузка уменьшиться до 9788 кг/см2. Казалось бы, прочности в 13 766 кг/см2 должно хватить, но есть еще сварные швы, в которых прочность при обычной сварке уменьшается до 60% от прочности материала, то есть получаем предел прочности на растяжение 8259 кг/см2. Нетрудно увидеть, что даже баки толщиной 4 мм из стали 301 давления в 8,5 бар выдержать не могут. Для того, чтобы они его выдержали, надо, к примеру, применять сварку трением, которая дает соединение, в котором прочность остается на уровне самого материала. Но Маск этого делать не хочет. Уж больно дорого. Впрочем, глава SpaceX уже давно объявил, что разрабатывает собственную сверхтвердую сталь «30Х», которая решит все проблемы (по его словам, лист 3 мм выдерживает выстрел из пистолета калибром 9 мм). Но зачем тогда рвать испытаниями баки, заранее зная результат? Неужели трудно посчитать на листочке бумаги? Суперкомпьютер тут не нужен.
После всего увиденного выше, наверное, не стоит удивляться, что результат наземных огневых испытаний SN4 29 мая 2020 года оказался вот таким.
Хлопок получился такой, что 25-тонный массово-габаритный макет подлетел на 100 м. Правда, причиной взрыва был не сам бак, а утечка топлива из устройства для быстрого разъема заправочной арматуры при старте, но, видимо, и там что-то решили сделать подешевле.
Утро после испытаний SN4…
Первые образцы аэрокосмической техники обычно изготавливают с большим запасом, а далее, по мере отработки, стараются упростить и удешевить конструкцию. Первая «Ангара-А5» в 2014 году обошлась только в изготовлении в 4,5 млрд руб. (137 млн долларов по тогдашнему курсу) и имела грузоподъемность на несколько тонн меньше, чем по ТЗ, зато взлетела с первого раза. При этом в серийном производстве ее цену планируют снизить до 58 млн долларов к 2025 году. Удастся это или нет – отдельный вопрос, но именно так выглядит привычный подход к созданию аэрокосмической техники: первый экспериментальный образец – очень дорого, в серии – дешевле. У Маска, судя по всему, подход другой: сделать тяп-ляп, во дворе на коленке, а если рванет, думать, как улучшать «технологию». Конечно, это всего лишь прототипы. Но зачем они нужны, если не выполняют своей функции? Ответ, видимо, в том, что Маск отрабатывает не просто прототипы, а принципиально иной подход к делу освоения космоса. Он хочет сделать сверхтяжелую ракету не дороже парохода.
Масштабы аварий Starship понемногу растут. В принципе, метод проб и ошибок, который практикует Илон Маск, не нов даже для ракетно-космической техники. Той же методы придерживался, к примеру, Сергей Королев. Легендарная «семерка» успешно полетела только с четвертой попытки, как, кстати, и Falcon. Но по мере роста стоимости ракетно-космической техники метод «ляпа» стал слишком накладным. Во всяком случае, программа создания сверхтяжелой Н-1 для советской лунной программы после четвертой подряд аварии была закрыта. Так же потом шла работа в СССР над «Энергией» под руководством Валентина Глушко. Это было долго и дорого, потребовало создания уникальной стендовой базы, «Зениты» (ракета на базе «боковушек») взрывались, но «Энергия» полетела сразу. Пуски на «авось» могут быть вполне приемлемыми при отработке, скажем, реактивной посадки первой ступени Falcon 9, которая увенчалась успехом лишь после семи весьма зрелищных катастроф. Но поможет ли это создать сверхтяжелую ракету, мягко скажем, футуристической концепции? Если да – то мир в самом деле перевернется и люди повалят в космос тысячными толпами.
Напряженная работа в Техасе продолжается. После гибели SN4 в Бока-Чика за месяц сварили три очередных прототипа: SN5, SN6 и SN7. Последний представлял собой отдельный тестовый бак из нового типа стали. Причем его днища и покрышки варили уже не люди, «изогнувшись верхней половиной тела», а робот. 16 июня SN7 был подвергнут криогенным испытаниям жидким азотом. Испытания были признаны успешными, поскольку бак не взорвался, а всего лишь разошелся по шву (на фото).
Вот как этот успех прокомментировал Илон Маск: «Бак не лопнул, а треснул при 7,6 бар. Это хороший результат и подтверждение идеи, что нержавеющая сталь 304L лучше, чем 301. Мы разрабатываем наш собственный сплав для дальнейшего продвижения. Утечка до взрыва крайне желательна». В общем, это успех. Непонятно только, зачем для «подтверждения идеи» надо было ломать все предыдущие прототипы. А в таблицу характеристик этих марок стали недостаточно взглянуть? Обратите внимания на тросы, которые предназначались для того, чтобы крышка бака не отлетела далеко, если бы испытания завершились привычным для SpaceX образом. Впрочем, дело этим не ограничилось. Сварщики залатали прореху, и испытания были повторены 24 июня. На фото ниже их результат.
Как видим, страховочные тросы справились со своей задачей: днище вырвало с мясом, но прототип не взлетел на воздух, а всего лишь выкорчевал стартовый стол. Красным кружком обведен механический пес Boston Dynamics, прозванный на заводе Зевсом. Он спокойно наблюдал за ходом испытаний, а потом обследовал его результаты в парах жидкого азота. Справедливости ради стоит сказать, что Маск заранее объявил, что бак будут наддувать до разрушения. Кстати, испытания баков на разрушение внутренним давлениям – стандартная процедура. К примеру, Boeing также разрушал центральный бак SLS, но проводил это безопасным образом на специальном стенде: внутреннее давление создавалось водой, а полетная нагрузка имитировалась системой гидроприводов. В отличие от газа, вода несжимаема и при разрушении не происходит взрыва. Криогенный же эффект несложно учесть расчетами. Маску, очевидно, создавать дорогостоящий стенд для испытаний на разрыв времени нет, поэтому он предпочитает рвать свои прототипы вот таким эффектным образом, как тузик грелку. Кстати, о давлении, при котором бак разрушился, победных реляций пока нет.
Зато 25 июня вывезен для испытаний следующий прототип – SN5. Сначала его опрессуют газообразным азотом, потом испытают на наддув жидким азотом. Если он останется цел, установят двигатель Raptor и проведут серию наземных огневых тестов. Если и после этого все будет хорошо, последует прыжок на 150 м. На все это уйдет около месяца. Затем настанет очередь следующего прототипа – SN6: после перечисленных выше процедур он должен подпрыгнуть на 20 км. А затем…
В завершение приводим текущий график работ по Starship, составленный энтузиастами, внимательно следящими за высказываниями Илона Маска и представителей SpaceX о дальнейших планах компании. Поскольку новости из Бока-Чика приходят каждый день, то на этой схеме уже не хватает черепа и костей, обозначающих гибель при испытаниях, над прототипом SN7. Как видим, если все пойдет гладко, то орбитальный полет SN8 может состояться в конце этого года. Недаром SpaceX с 2018 года ведет переговоры с тремя телекоммуникационными компаниями о запуске в 2021 году полезной нагрузки с помощью Starship.
Говорят, что от великого до смешного один шаг. Хочется верить, что и обратное может быть верным.
*