Шлях Маска на Місяць: як створювали Starship — ракету, що доставить американських астронавтів на поверхню супутника

NASA обрала верхню частину космічного корабля Starship з екіпажем для посадки місії Artemis 3. Під час цієї місії американські астронавти повернуться на Місяць у 2026 році. Ракету Starship компанія SpaceX розробляє від 2005-го. Космічний шатл має стати найвищою та найпотужнішою ракетою світу. 

Хоча ракета ще не бувала у космосі, ані у NASA, ані у SpaceX, схоже, не сумніваються в успішності майбутньої місії. 

SPEKA проаналізувала шлях створення космічного корабля, що у майбутньому доправить людей на Місяць, і розповідає, у чому полягає революційність Starship у ракетобудуванні.  

Що таке Starship

Космічна ракета-носій надважкої вантажності стане першою ракетою такого типу, яку можна використовувати багаторазово. Starship складається із двох модулів — Super Heavy заввишки 70 м є першим ступенем, що несе 50-метровий космічний корабель Starship HLS, тобто Starship Human Landing System. 

Робота над Starship від 2019 року — це ітеративне поетапне розроблення, що включає часте будівництво прототипів, випробування польотів на низькій і великій висоті. Станом на січень 2023 року дату першого орбітального випробування ще не оголосили. Але перший запуск ракети без екіпажу, найімовірніше, відбудеться у першому кварталі 2023-го.

Хронологія розроблення ракети Starship

2005-2010: розроблення концепції Starship

У листопаді 2005 року, перед тим як SpaceX запустила свою першу ракету Falcon 1, Ілон Маск вперше сказав про концепцію важкої ракети під назвою BFR (Big Falcon Rocket), яка могла б вивести 100 т ваги на низьку навколоземну орбіту. Це масштаб корабля Сатурн V, який доставляв перших астронавтів на Місяць. 

Передбачалося, що BFR використовуватиме гасово-кисневий ракетний двигун Merlin 2.

У липні 2010 року SpaceX представила концепції космічного буксира Mars і важкої ракети-носія під назвами Falcon X, Falcon X Heavy та Falcon XX.

2015: мрія про Марс та нові двигуни Raptor

У 2015 році Маск інтригував медіа ракетою на Марс. Шатл мав робочу назву Mars Colonial Transporter. 

Також тоді заявили про те, що ракети будуть обладнані новим типом двигунів Raptor, які працюють на метано-кисневій суміші. Raptor використовуватимуть і у майбутній місії на Місяць. 

Більшість двигунів сьогодні бувають двох типів: відкритого та закритого циклу.

У першому пальне і окислювач згоряють у газогенераторі — пристрої для перетворення рідкого ракетного палива на гарячий газ, який обертає турбонасоси. Ці двигуни не економічні, але прості. Саме такими є американські «місячні» двигуни F-1 і Merlin, на яких літають Falcon 9.

Двигуни закритого циклу мають камеру попереднього згоряння, куди подається трохи газу та надлишок кисню. Звідти одержаний газ йде через турбонасоси, потім — на допалювання у камеру згоряння, беручи участь у створенні тяги двигуна. У закритому циклі можна пропустити через турбонасос більше газу (адже його потім не треба викидати). А інтенсивніша робота турбонасосів дозволяє підняти тиск у камері згоряння і підвищити тягу двигуна за такого самого обсягу.

Двигуни Raptor метан-кисневі (досі на метанових двигунах у космос ніхто не літав), що використовують цикл, який ще ніколи не застосовували на практиці, — закрите поетапне спалювання з повним потоком.

У Raptor дві камери попереднього згоряння, де одержують газ для турбонасосних агрегатів. У першій камері в надлишку кисню горить трохи метану, у другій за нестачі кисню горить багато метану. Після проходження через турбонасосні агрегати обидва потоки подають на допалювання у камеру згоряння. Це дозволяє уникати недостатньо ефективного використання пального та окислювача й  підняти тиск у двигуні, а більша кількість газу буде краще охолоджувати їх, дасть двигуну можливість відпрацювати сотні циклів без ремонту.

2016: концепція Міжпланетної транспортної системи 

За день до 67-го Міжнародного астронавтичного конгресу вперше запустили двигун Raptor. Маск анонсував ракету-носій для Міжпланетної транспортної системи з використанням двигунів Raptor. За словами Маска, ціна її запуску може бути меншою через можливість постійного повторного використання. Космічний корабель представили у трьох варіантах: з екіпажем, вантажний і паливний танкер для дозаправлення на орбіті.

Підписуйтеся на наші соцмережі

Концепцію Міжпланетної транспортної системи розкритикували через те, що вона потребує необґрунтованої кількості розробок і державних коштів.

2017: Big Falcon Rocket

У вересні 2017 року на 68-му Міжнародному астронавтичному конгресі Маск представив модифікацію Міжпланетної транспортної системи —  ракету-носій Big Falcon Rocket (BFR). Повідомлялось, що варіації BFR можуть відправляти супутники на орбіту, поповнювати запаси Міжнародної космічної станції, здійснювати посадку на Місяць, подорожувати між космопортами на Землі та відряджати людей на Марс. У квітні 2018 року мер Лос-Анджелеса підтвердив плани про запуск заводу з виробництва ракет BFR у порту Лос-Анджелеса, але у травні 2020-го план скасували.

2018: проєкт dearMoon

SpaceX отримала перший контракт на виробництво космічного корабля BFR: проєкт dearMoon, який фінансує японський мільярдер Юсаку Маедзава. Передбачається політ Маедзави та шести-восьми митців на траєкторії вільного повернення навколо Місяця. Політ планували на 2023 рік. Маедзава очікує, що досвід космічного туризму надихне пасажирів на створення чогось нового, а їхнє мистецтво сприятиме миру в усьому світі. Першим приєднатися до польоту запросили режисера Демієна Шазелла, але його немає у фінальному складі команди. Натомість компанію Маедзаві складуть: 

Є також двоє запасних членів екіпажу — американська сноубордерка Кейтлін Фаррінгдон та японська танцівниця Мію.

Поки що невідомо, коли стартуватиме політ, але цей контракт забезпечив фінансування для розроблення ракети. Цього ж року прискорювач і космічний корабель отримали назви Super Heavy та Starship відповідно.

2019: «праска» у космосі

Перехід на сталь та охолодження ракети метаном 

На початку 2019 року Ілон Маск вкотре повідомив про зміни. Він сказав, що подолав опір своєї команди інженерів та переконав їх відмовитися від високоміцного пластику на користь іржостійкої сталі у будівництві ракети. 

Це зменшить вартість, підвищить температуру плавлення, додасть міцності за кріогенних температур та спростить  виробництво.

А от для охолодження сталі він планує випускати з розпеченої до сотень градусів обшивки метан, що випаровується. На перший погляд, звучить дивно: у земному повітрі метан за нагріванні спалахує. 

Сьогодні ракети будують із сплавів легких металів. Для одноразових конструкцій вони ідеальні: не такі дорогі, як вуглепластик, і не потребують теплового захисту, тому що на повторне використання не розраховані. Тепловий захист потрібен тільки капсулі, що пілотується, для чого на неї ставлять панелі теплоізоляції. Однак досягти повної багаторазовості від ракети з нічим не захищених легких сплавів нереально. 

Величезна ракета після втрати основної маси палива важить дуже мало, і обидві її частини, що спускаються окремо, мають досить ефективно сповільнюватися об атмосферу. Перша сяде просто на хвіст, як перший ступінь Falcon 9 зараз (її швидкість мала, тому гальмувати черевом не потрібно). А ось друга лише наприкінці свого спуску кермовими поверхнями випрямить себе і сяде на хвіст.

Але «поперечне» гальмування хоч і економить паливо, водночас різко підвищує теплове навантаження на обшивку. Саме тому Маск у пошуках матеріалу і для обшивки, і для паливного бака вирішив перейти на іржостійку сталь. Вона набагато щільніша, тому листи з неї за такої самої маси набагато тонші, тому їм не вистачає жорсткості. 

Теплові щити, що загоряються, вже давно застосовують для відведення тепла від космічних кораблів. Абляційний тепловий щит на апаратах, що спускаються, роблять з полімерів ще з часів польотів американців на Місяць. Тому охолоджуватися, потіючи паливним матеріалом, лише звучить як жахлива ідея. 

Перші випробування прототипів Starship

Випробування прототипу Starship можна розділити на три типи. Під час випробувань під тиском баки транспортного засобу піддаються тиску газів або рідин, щоб перевірити їхню міцність, іноді навмисно, поки вони не лопнуть. Потім машина виконує репетиції місії з повним вмістом палива або без нього, щоб перевірити ракету та наземну інфраструктуру. Перед випробувальним польотом SpaceX завантажує прототип паливом і ненадовго запускає його двигуни.

Перший прототип, який літав на двигуні Raptor, називався Starhopper. На початку квітня 2019 року корабель здійснив два стрибки на прив'язі, а через три місяці він піднявся без троса приблизно на 25 м. У серпні 2019 року апарат підскочив на 150 м і долетів до посадкового майданчика неподалік.

При цьому через відсутність інфраструктури ракету одного разу повалив вітер середньої сили. 

2020: випробування Starship тривають

Після  Starhopper SpaceX почала називати свої нові прототипи розгінного блоку Starship (з префіксом SN« — скорочення від »серійний номер«). Прототипи між SN1 і SN4 не літали — SN1 і SN3 зруйнувалися під час стрес-випробувань тиском, а SN4 вибухнув після п'ятого запуску двигуна.

Сім прототипів верхнього ступеня Starship пройшли льотні випробування у період від серпня 2020-го до травня 2021-го. Кілька з них розбилися, згоріли або їх двигуни списали без експлуатації. Останній із семи, повнорозмірний Starship SN15, успішно приземлився після досягнення висоти 10 кілометрів. 

2021: суборбітальні майданчики та новий тепловий щит для Starship

У березні 2021 року компанія оприлюднила громадський план будівництва двох суборбітальних стартових майданчиків, двох орбітальних стартових майданчиків, двох посадкових майданчиків, двох випробувальних стендів і великого резервуарного парку палива. 

Кілька тижнів потому, 16 квітня, NASA обрала Starship Human Landing System (HLS) посадковим модулем з екіпажем на Місяць. Компанія Джефа Безоса Blue Origin намагалась оскаржити рішення у суді, але марно.

Також у цей час інженери переконали Маска не використовувати концепцію праски для охолодження ракети.

Новий теплозахисний екран космічного корабля складатиметься з багатьох шестикутних плиток, шматочків керамічних плит, призначених для розсіювання величезної кількості тепла. При цьому плитки теплового екрана корабля Starship тонші за плитки інших орбітальних кораблів, оскільки виготовлені зі щільної міцної кераміки, тоді як плитки для орбітальних кораблів мали ядро з волокна/піни/аерогелю, яке було дуже ізоляційним, але досить крихким і схильним до поглинання вологи.

Також їх встановлюватимуть на силікатному килимі на корпусі з іржостійкої сталі, а не наклеєні на алюмінієвий корпус, тому їм не потрібна така низька теплопровідність. При цьому плитки будуть покривати лише гарячіший бік, який входить в атмосферу першим. За словами Маска, щит з підвітряного боку не потрібен. Водночас будь-які гарячі точки матимуть систему транспіраційного охолодження, яка дозволяє зовнішній частині «пітніти» водою або метаном, щоб мінімізувати пошкодження та знову літати незабаром після приземлення.

Після того як захисний щит знімуть, ракета має бути придатною до нового польоту.  

2022: ракета Starship на старті

SpaceX описала траєкторію запланованого орбітального польоту у звіті для Федеральної комісії зі зв'язку. Ракету планують запустити з Starbase (Бока-Чіка, Техас), після чого надважкий ракетоносій відокремиться і приземлиться у морі приблизно за 30 км від Техасу. Космічний корабель продовжить політ через Флоридську протоку, а потім приземлиться у Тихому океані приблизно за 100 км на північний захід від Гавайських островів. Космічний політ триватиме дев'яносто хвилин. 

Після ремонту 7 травня 2022 року прототип прискорювача пройшов кріогенні випробування. На нього встановили 33 двигуни Raptor 2. Прототип корабля S24 зібрали, він стоїть на виробничому майданчику, доки тривають роботи із встановлення теплозахисту.

S24 вперше має люк для виведення корисного навантаження у вигляді супутників Starlink.

Підписуйтеся на наші соцмережі