Недавно один из подписчиков Илона Маска спросил в Twitter, правильно ли ему удалось визуализировать посадку Super Heavy. На что эксцентричный миллиардер ответил — «Мы собираемся попробовать ловить первую ступень специальной рукой за решетчатые рули». Такое заявление вызвало бурный интерес, ведь ранее предполагалось, что ускоритель для космического корабля Starship будет садиться, как и Falcon 9, на раскладные опоры.
Маск пояснил, что такой подход позволяет сэкономить массу и стоимость опор, а также позволяет незамедлительно перемещать ступень на стартовую позицию. Ведь в перспективе Super Heavy должны будут уметь взлетать всего через час после возвращения. Более никаких подробностей новой идеи ни у кого узнать не удалось. Так что в сети разгорелась масса дискуссий о реалистичности такого решения. А сложности, на первый взгляд, очевидны.
We’re going to try to catch the Super Heavy Booster with the launch tower arm, using the grid fins to take the load
— Elon Musk (@elonmusk) December 30, 2020
Размеры
Super Heavy существенно больше возвращаемой первой ступени от «рабочей лошадки» SpaceX. Высота ускорителя для Starship (72 метра) больше, чем общая высота всей ракеты Falcon 9 вместе с обтекателем полезной нагрузки (70 метров). Диаметр Super Heavy отличается почти втрое — 9 метров против 3,6 метра. А полная масса при взлете и вовсе разнится на порядки: около 550 тонн для Falcon 9 и, ориентировочно, пять тысяч тонн для Starship вместе с ускорителем.
При этом, перспективная космическая система рассчитана на высокий темп повторных полетов с незначительным техническим обслуживанием. А значит запас прочности ее конструкции будет существенно выше, чем у Falcon 9. Вместе с тем, непропорционально больше будет и масса почти пустой Super Heavy при посадке. Таким образом, устройству для ловли ускорителя от Starship придется принимать на себя несоизмеримо более высокие нагрузки, чем если бы она рассчитывалась под первую ступень Falcon 9. И это если не учитывать требование к более высокой точности посадки в таком случае.
Посадка первой ступени Falcon 9 / ©NASASpaceFlight
Теоретически все верно, однако фактически перспективную ракету SpaceX нельзя прямо сравнивать с уже эксплуатируемой. И дело даже не в радикально отличающемся предназначении, из которого вытекают столь разные габариты. Как минимум, можно вспомнить, что посадка первой ступени Falcon 9 — по сути, временное и экспериментальное решение. Просто его стали использовать согласно принципу «нет ничего более постоянного, чем временное».
Технологии
Используемые на Falcon 9 двигатели Merlin 1D+ не лучшим образом приспособлены для вертикальной посадки. Они обладают настолько высокой тягой для почти пустой возвращаемой ступени, что ее плавная посадка с удержанием постоянной скорости снижения невозможна. Фактически, ускорители Falcon 9 контролируемо падают в сторону посадочной площадки постоянно контролируя свою скорость и высоту. Момент включения двигателей подбирается таким образом, чтобы их тяга при дросселировании до минимальных значений точно скомпенсировала скорость снижения на высоте пары метров над поверхностью.
Огневые испытания двигателя Merlin 1D в 2013 году. Справа сбоку хорошо виден выхлоп турбонасосного агрегата (ТНА) — двигатель работает по открытому циклу с частичной газификацией компонентов топлива, что является распространенной схемой / ©SpaceX
Когда снижение останавливается, двигатели выключаются и остаточную энергию гасят демпферы в опорах. Обычно это происходит практически одновременно. Если двигатели продолжат работать даже на минимальной тяге — ступень взлетит обратно. Такая ситуация накладывает некоторые ограничения на точность посадки: у электроники нет возможности скорректировать свое положение практически зависнув над целью.
В случае Super Heavy все будет несколько иначе. На этой ракете двигателей будет уже почти три десятка, причем не Merlin 1D+, а более современных и совершенных Raptor. Их тягой можно управлять гораздо точнее. Да и отношение тяги к массе пустой ступени подбирается так, чтобы обеспечить почти полное зависание в воздухе. В итоге, получается, что ускоритель для Starship потенциально сможет при возвращении точно прицеливаться, чтобы захват его мог поймать.
Первые испытания двигателя Raptor в 2016 году / ©Elon Musk, Wikipedia
Выгода
Отказ от посадочных опор позволит увеличить эффективность всей системы. Чем меньше весит конструкция ракеты по отношению к массе топлива в ее баках, тем больше груза при той же мощности двигателей она может вывести на орбиту. Сделанные из углеволокна и алюминия четыре посадочных опоры Falcon 9 суммарно весят более двух тонн. Какую массу должны будут иметь подобные конструкции для гораздо более тяжелой Super Heavy трудно представить. Предположительно — в 3-5 раз больше.
Наконец, немаловажным фактором является формирование ударной волны при воздействии факелов работающих при посадке двигателей на площадку. Raptor втрое мощнее, чем Merlin и во время огневых испытаний прототипов Starship уже происходило повреждение сопел. Если возвращаемая ступень будет поймана на некоторой высоте над землей или стартовым столом, подобная проблема даже не возникнет. Ударная волна не успеет сформироваться, потому что двигатели выключатся раньше. Либо она уйдет в специально предназначенные для этого гасители под стартовой конструкцией.
Запуск миссии NROL-108 на ракете Falcon 9 Full Thrust Block 5. Густой белый дым, вылетающий из-под стартового стола — на самом деле водяной пар. Незадолго до зажигания двигателей в пространстве под ними формируется водяная завеса, которая гасит акустические волны и ударную волну, возникающую при контакте истекающих из сопел газов с твердой поверхностью / ©SpaceX
Последний момент, вызывающий вопросы — ловля ступени за решетчатые рули. Это аэродинамические поверхности, которые позволяют ускорителю маневрировать в плотных слоях атмосферы. У Super Heavy они будут под стать габаритам ракеты и, соответственно, расчетные нагрузки ожидаются большие. Поэтому значительного усиления для процедуры ловли ступени может не потребоваться.
Выводы
Иными словами, описанная Илоном Маском в Twitter идея выглядит сумасшедшей только на первый взгляд. При более пристальном рассмотрении у нее есть все шансы стать полезным и эффективным решением. Ну а у всех любителей космонавтики будет возможность лицезреть очередное огненное шоу во время испытаний этого «ловца». Потому что, как показывает практика, у SpaceX не бывает тестов без фейерверка. И это замечательно.
Напомним, корабль Starhip и ускоритель (первая ступень) Super Heavy — компоненты полностью многоразовой многофункциональной космической системы, предназначенной для вывода на орбиту Земли полезной нагрузки массой порядка ста тонн. Она разрабатывается с учетом максимальной унификации компонентов и по плану будет способна совершать повторный полет в течение считанных часов после возвращения на Землю. В перспективе Starship сможет доставлять грузы и людей на Луну и Марс.
И корабль и первая ступень оснащаются двигателями Raptor, которые работают на топливной паре кислород-метан. И горючее и окислитель хранятся в переохлажденном сжиженном состоянии. Уникальной особенностью Raptor является полная газификация компонентов топлива и закрытый цикл работы. А весь процесс разработки Starship с Super Heavy выполняется согласно итерационному подходу — прототипы создаются не дожидаясь результатов предыдущих испытаний. Конечно, это приводит к частым эффектным «незапланированным мгновенным разборкам» тестовых изделий. Зато позволяет радикально ускорить темпы развития проекта и его финальную стоимость.
