Третье испытание «Старшипа»

Третье испытание «Старшипа»

Очередной и очень ощутимый шаг вперед гигантского гибрида ракеты и звездолета

Третий полет космической транспортной системы, призванной в корне изменить космонавтику, достиг наибольшего результата. Как он прошел и что ожидается дальше?

Самый большой

Космическая транспортная система «Старшип» перед стартом, Звездная База, Бока-Чика, Техас

Фото: Space X

Совсем недавно, 14 марта, прошел третий испытательный запуск космической многоразовой транспортной системы «Старшип» (Starship), создаваемой компанией SpaceX и ставшей главным направлением ее конструкторских работ. Гигантский гибрид ракеты-носителя и звездолета планируется к очень широкому применению: доставка больших масс на околоземные орбиты и Луну, включая посадки с десятками тонн груза на борту и экипажами для лунной базы. Огромный корабль сам может служить и лунной базой, и орбитальной станцией, по герметичному объему равной МКС. Причем она сможет взлетать на орбиту сразу с экипажем и возвращаться с ним на Землю, выполняя посадку и затем новые полеты.

Стартовой массой 6 тыс. тонн «Старшип» вдвое превзошел прошлого рекордсмена, ракету «Сатурн-5» для полетов на Луну по программе «Аполлон» полвека назад. Это масса 20 заправленных ракет-носителей «Союз», сложенных вместе. В отличие от них части «Старшипа», стартовав одной ракетой, в ходе полета превращаются в два разных летательных аппарата. И у каждого сложная управляемая посадка в своей точке финиша.

Огромная полезная нагрузка «Старшипа» 150 тонн (два груженых вагона) и полная многоразовость могут снизить цену килограмма груза на орбите до революционных $100 или ниже. Успех откроет новую эру в космонавтике, на порядки расширив доступ в космос и грузопоток на орбиту. Но главная цель — обитаемые базы на Марсе масштаба больших городов и колонизация Красной планеты, воплощение мечты Илона Маска, основателя SpaceX. После запуска он сказал, что «Старшип» будет на Марсе через пять лет.

Хотя и без Марса система может изменить жизнь человечества — например, новым сверхбыстрым типом пассажирских перевозок. Суборбитальная баллистика пройдет океан за полчаса. Появление в ХХ веке реактивной пассажирской авиации изменило мир. Правда, при массовых полетах возникнут вопросы защиты озонового слоя, но была бы матчасть, а решения найдутся. Неудивительно, что третий испытательный полет «Старшипа» привлек столько внимания.

Суборбитальный путь пройден

Самая мощная в истории реактивная струя, вбрасываемая при создании тяги 7700 тонн

Фото: Space X

Взлет прошел в отличных метеоусловиях. Гигантская ракета, самая большая и тяжелая в истории, медленно ушла со стартового сооружения на берегу Мексиканского залива и устремилась в техасское небо. Реактивная струя, тоже самая мощная в истории, создавалась метановыми двигателями в количестве сакральных 33. Большие светлые конусы Маха внутри бледной струи показывали ее единство и однородность. Так создавалась тяга в 7,7 тыс. тонн, ведущая ракету по траектории с заданным ускорением.

Полетная баллистическая кривая выбрана набором задач. Орбита плоха при отказе двигателя с невыдачей тормозного импульса. Неуправляемый сход с орбиты массивной машины опасен. Ей нужно при любом раскладе надежно упасть в заданный район посадки, пустынный и удаленный от старта на час полета, за который можно провести в невесомости проверки систем корабля: открыть грузовые створки, вкачать десять тонн топлива в носовой бак, включить и заглушить двигатели.

«Старшип» планово не добрал до орбиты около 500 м/с скорости и выключил двигатели на высоте 150 км. Пройдя апогей на 234 км (высота низких орбит), он стал снижаться к посадке в Индийском океане между Мадагаскаром и Австралией. Отделившийся ускоритель «Супер Хэви» описал большую вертикальную кривую с заходом на посадку на воду Мексиканского залива. Посадочных платформ и сооружений не было; оба приводнения в заданных точках акваторий отрабатывали правильное обнуление скорости.

Выход «Старшипа» на траекторию прошел гладко, как в кино. Старт, горячее разделение, разгон корабля, выключение двигателей, полет по суборбите в целевой район. Четко отработала первая ступень, зайдя на посадку в свою точку. Ключевым улучшением прошлого пуска стала прибавка к его 6,5 км/с еще 0,8 км/с, штатное завершение разгона и прохождение суборбитальный траектории.

Успех и выбор аксиом

Старт «Старшипа». Видны светлые участки конусов Маха в бледной струе метанового огня

Фото: Joe Skipper / Reuters

Как определить успешность пуска? Чтобы вступать в игру оценки успешен/не успешен, нужен критерий, правило для определения успеха и неудачи, понятное участникам выработки и использования оценки. Словно латынь испытателей, четкая, как межконтинентальная дальность с 5,5 тыс. км или формальная граница атмосферы на высоте 100 км.

Точного критерия неудачного запуска нет. И поэтому могут быть разные взгляды на оценку пуска. Даже противоположные и одновременно неоспоримые. Вопрос выбора аксиом — базовых начал, не требующих доказательств. Пересекаются параллельные кривые или нет? Разный ответ дадут геометрии Евклида, Римана и Лобачевского. Бак наполовину пуст или наполовину полон при ровно половинной заправке. Что выбрать и почему?

Теоретик скажет одно, практик — другое, романтик — третье. Логично оценить запуск по выполнению полетной задачи, ведь он затеян для этого. Выход на орбиту складывается из этапов: старт, атмосфера, разделение ступеней, выход на целевую траекторию, отделение груза. Полетные задачи разные по важности и делятся на основные и второстепенные. Назвать их тоже вопрос выбора. Пройдены верно все этапы полета — он успешный. Если часть задач да, а часть нет — как оценивать такой пуск? Как взвесить сделанное и несделанное и выбрать механизм наклона чаши весов?

Ответ на это непростой, и выбор факторов большой. Можно сделать главным взлет и выход в заданный полет. И тогда задача пуска лишь к орбите приведет. У многоразовых систем она из двух отдельных тем: задать космический полет и приземлиться в свой черед.

Полетная задача

Основная полетная задача бывает одна и ярко очерчена. Для ракеты-носителя это разгон навьюченного груза. Он показан точкой финиша и скоростью в ней, их шестью параметрами: двумя географическими координатами и высотой точки и двумя углами направления в пространстве и величиной скорости. Также важен и груз: не погнутый при запуске и отделенный от последней ступени — это еще два параметра. Восемь пунктов решают успех запуска: дойти до верной скорости груза и отделить его в свой путь.

Есть конструкции с обратной задачей прекращения полета. Она тоже описывается набором параметров: географическая точка поверхности с обнулением скорости в ней. Это спускаемые аппараты и капсулы, боеголовки ракет (с остатком скорости), посадочные модули других небесных тел от планет и их спутников до астероидов. Гибель посадочной ступени, ключевая неудача полета, часто закрывает программу.

И есть третья часть летательных аппаратов, самая большая и широкая, в которых важность взлета удваивается важностью посадки. Это авиация и возвращаемые космические системы «Спейс Шаттл», «Буран», семейство ракет «Фалкон», «Старшип». Без посадки их полет бессмыслен или катастрофа, как челнока «Колумбия» после успешных действий на орбите.

Не зря в авиации говорят: «Пусть число взлетов всегда будет равно числу посадок». Правда, тут бывают вариации: например, такого соотношения уже не будет у автора, заменившего 25 посадок столькими же приземлениями с парашютом. А для «Фалкон Хэви» и «Старшипа», сверхтяжелых ракет от SpaceX, показатель ушел в другую сторону. Эти многоразовые ракеты создали небывалый феномен, когда одному взлету соответствует не одна, а две посадки. И если пара разгонных блоков «Фалкон Хэви» выполняет их одинаково и рядом, то части «Старшипа» садятся в разных условиях, районах Земли и с разным алгоритмом. Это делает посадку наиболее сложной и не менее важной, чем взлет. А может, и более, ведь тут целых два разных приземления.

Аварийный пуск: незапланированное разрушение

«Старшип» в космосе. Изображение с бортовой камеры

Фото: Space X

При испытаниях межконтинентальных ракет принимающий боеголовки полигон на Камчатке работает в четком ритме боевой работы. На измерительных пунктах сменяются готовности к пуску: три часа, два часа, час, полчаса. С готовности пятнадцать минут никто не покидает своих постов в аппаратных и у фототеодолитов на крышах технических зданий. Готовность десять минут... Пять минут... Ноль... Вскоре по спецканалу приходит ТВС, точное время старта, измеренное при размыкании контактов подъема. Это значит, что ракета ушла со стартового сооружения, машины или подлодки и сейчас разгоняется, уже покидая стратосферу.

Первыми боеголовки в небе «услышат» телеметристы: их странного технического облика антенны примут сигнал с дали 1,5 тыс. км. Но сигнала нет. Отказал передатчик на борту боеголовки? Через пару минут в небе возникнут и поползут плавно разгорающиеся огни. По их свечению зажужжат резкими звуками перемотки пленки фототеодолиты на плоской крыше технического здания, нацеленные объективами в нужные части неба. Но свечения нет. Семь минут… Закрыт вопрос: в небе пусто, кроме звезд. Нет и грома баллистической волны, приходящей на местность после огненной гонки в небе. Звучит команда отбоя. Отстыкованы кассеты с неотснятой пленкой, зачехляют столбы фототеодолитов, уходят операторы, гаснет освещение крыши. Боеголовки на полигон не пришли. Пуск оказался неудачным.

Ракета ли отработала не до конца, последняя ступень взорвалась до выключения? Или с ней порядок, но авария случилась на боевой ступени (она же ступень разведения) с боеголовками, развозящей их в космосе по прицельным траекториям? Эти вопросы возникают и при аварийном космическом запуске.

Определение аварийности используют, например, при компенсации затрат страхования неудачных космических пусков. Его дают «Правила предоставления в 2012–2022 годах субсидий из федерального бюджета на поддержку организаций, осуществляющих имущественное страхование рисков при запусках и летных испытаниях космических аппаратов», установленные правительством РФ в постановлении №804 от 8 августа 2012 года:

«Аварийный запуск ракеты космического назначения — полное или частичное несанкционированное разрушение ракеты космического назначения на участке траектории выведения на заданную орбиту или неотделение космического аппарата от ракеты-носителя (разгонного блока) на заданной орбите»;

«Аварийный запуск космического аппарата — полное или частичное несанкционированное разрушение космического аппарата после его отделения от ракеты-носителя (разгонного блока)».

Маркером аварийности здесь выступает несанкционированное (не входящее в штатный запуск) разрушение ракеты со спутником (и его неотделение) или уже отделенного спутника. Он может по-всякому взорваться в космосе или развалиться на части после пожара при запуске двигателя. И просто сгореть в атмосфере, не выйдя на орбиту. Этим крашем аварийный запуск отличен от неудачного, когда разрушений ракеты и спутника нет, но орбита вышла неверной.

Аварийные пуски тоже разные. Важно, когда и где случилась авария, в начале или конце полета, что даст провести большую часть испытания. Или полет даже не успел начаться со взрывом ракеты на старте. По разрушению конструкции оба случая аварийные, но их содержание сильно отличается.

Частично успешный пуск

«Старшип» входит в атмосферу, виден слой раскаленного сжатого газа, содержащего плазму. Изображение с бортовой камеры: SpaceX

Понятию «разрушение» тоже нужны уточнения. Оторвался, отпаялся от перегрева проводок, и работа пошла через резервный блок — это частичное разрушение ракеты? Множество негативных ситуаций заполняет диапазон от успешного до аварийного пуска. Ракеты-носители — очень сложные технические системы. Отказы в них могут развиваться деревом разных форм, нарастая до аварии, или проявляться, затухать и возвращаться. Неудачные пуски часто (но не всегда) граничат с аварийным пуском. Еще выделяют частично успешные, тоже широкий диапазон.

Крупнейшая до «Старшипа» ракета-носитель «Сатурн-5» летала 12 раз, и все без аварий. Первые два запуска были испытательные беспилотные. В них проверяли две нижние ступени, третья ранее трижды слетала на ракете «Сатурн-1В». Вторым пуском («Аполлон-6») хотели вывести корабль «Аполлон» на высокую (полмиллиона километров) эллиптическую орбиту со скоростью перелета к Луне, решив ключевую задачу. «Аполлон» вскоре тормозил бы, опустив апогей до 22 тыс. км. Снижаясь оттуда с разгоном двигателем, «Аполлон» должен был войти в атмосферу Земли на скорости 11,2 км/с, имитируя возвращение с Луны и проверив нагрузки входа.

Но что-то пошло не так. В конце второй минуты полета ракету сильно затрясло в продольном направлении. В двигателях первой ступени возникла низкочастотная неустойчивость горения, усиленная резонансом главных магистралей и подачи топлива из них. Это сильные колебания тяги двигателей вокруг нормального уровня. «Сатурн-5» испытывал изменения перегрузки с амплитудой до 0,6 g (5,9 метра на секунду в квадрате) и частотой пять раз в секунду. Хотя был рассчитан на максимальные 0,25 g (2,5 метра на секунду в квадрате). Будь в «Аполлоне» экипаж, он пережил бы весьма болезненные ощущения.

Колебания длились полминуты и стихли. Но они растрясли ракету до предаварийного состояния. В полете второй ступени два двигателя выключились. Третья ступень с кораблем смогла выйти на низкую орбиту, но не включилась для разгона к Луне. «Аполлон» своей тягой поднялся к плановым 22 тыс. км и сжег все топливо. На снижении его хватило лишь на 23 секунды работы, и скорость входа в атмосферу дошла только до 10 км/с.

«Аполлон-6» — пример полета на грани аварии. Продлись тряска еще 20–30 секунд, и отказ второй ступени мог быть полным с аварийным прекращением полета. Нам интересны его оценки. Директор программы «Аполлон» Сэмюэл Филлипс отметил, что «нет никаких сомнений в том, что это не идеальная миссия», хотя выход на орбиту при отключении двух двигателей стал «крупным незапланированным достижением». Джордж Мюллер, заместитель администратора НАСА и глава Управления пилотируемых космических полетов, на стартовой площадке заявил: «Хорошая работа во всех отношениях, отличный запуск и в целом успешная миссия». Позже он изменил мнение: «Миссия "Аполлон-6" должна быть определена как неудача» и «"Аполлон-6" придется признать провалом». Неудивительно, что эти крупные специалисты, отмечая плюсы и минусы испытания, дали неоднозначные и меняющиеся оценки.

Ударный финиш «Супер Хэви»

После разделения нижняя ступень поднялась до высоты 106 км, описав косую вертикальную петлю. Реактивная ориентация работала хорошо, ускоритель развернулся низом вперед и начал снижение. На сверхзвуке войдя в стратосферу, он достиг в ней значения числа Маха М = 4. Решетки аэродинамических рулей энергично направляли ступень на посадку.

Последний километр пройден быстрее расчетного. Стало видно нехватку торможения до нулевой посадочной скорости. Вместо нее «Супер Хэви», только перейдя в дозвуковой режим, врезался в гладь залива на скорости выше 300 м/с. Будь площадка твердой, осколки разлетелись бы на пару километров. Удар о воду тоже закончил полет аварийно с разрушением ступени. И вряд ли был холодным: удар с огнем в двигателях и остатками в баках всегда взрыв.

«Старшип»: гиперзвук пройти не удалось

Траектория «Старшипа» (выделена красным) и район посадки

Фото: Space X

Нисходящая часть суборбитальной тропы плавно и все больше наклоняется, скорость растет. Внизу ждут силовые и тепловые аэродинамические нагрузки, начинаясь на 100–90 км. «Старшип» входит в воздух с большой гиперзвуковой скоростью и значением числа Маха 15–18.

Поток на гиперзвуке плотнеет при снижении; появятся нагрузки, нагрев и торможение. Ведь скорость баллистическая очень высока — космического уровня или к нему близка. Такая скорость даст большой нагрев конструкции, что быстро может стать причиною деструкции. И ради уменьшения теплозащитных масс сбавляют темп снижения хотя бы в пару раз. Нужна оптимизация по тепловым делам (и силовым нагрузкам, что тоже будут там). Возможно, траекторию придется растянуть и более полого проделать этот путь.

Корпус аппарата держат под углом атаки к встречному потоку. Воздух газодинамически сжимается на корпусе во много раз, силы его давлений собираются в подъемную силу. Она замедляет снижение, растягивая траекторию по горизонту в верхней разреженной атмосфере и продлевая торможение в ней, чтобы в разрушающие плотные слои прийти с меньшей скоростью и нагрузками и остаться в целости.

Увы, стабильная ориентация корабля не удалась. «Старшип» пошел в медленное неуправляемое вращение с ростом угла атаки, усилившим газодинамические давления до разрушающих. На высоте 65 км конструкция потеряла устойчивость под нагрузкой, и ее смяло и разорвало потоком. Пропустила ли теплозащита в корпус горячий газ с поверхности или это чисто силовой разлом, покажет телеметрия. Аварийное разрушение оборвало жизнь «Старшипа» и третье летное испытание.

Дорогой практики

Испытания и расчеты идут рука об руку, и можно туда или сюда смещать баланс их вклада. SpaceX любит выраженный путь опытов. Необходимый обсчет, проверочный пуск и подробная запись картины. Доработка — новый старт; работа с конструкциями явно главнее долгого моделирования.

С ядерной бомбой иначе: для нее нужен очень большой массив теоретических расчетов. А недорогой прототип ракеты проще прикинуть в числах, сделать и запустить. Далее цикл, отмеченный выше. На какой сильной стороне быстрее достичь цели: испытательной или расчетной? Какой их баланс лучше продвигает разработку? Это вопрос без однозначного ответа.

Сильная сторона испытаний — проверка фактом с подробным измерением и записью. Можно написать пять математических моделей, но факт будет один, всегда автоматически верный. Он точно покажет, куда идти дальше. Поможет телеметрия: если она получена, сама железка уже не нужна. Так было еще с гиперзвуковым Х-43А, который после полета не искали в океане из-за неактуальности при всей революционности.

Каждый датчик начинает измерительный канал, данные которого пишут на Земле. Телеметрическая система «Аполлонов» включала 1,5 тыс. каналов, у «Шаттлов» — 12 тыс. Частота опроса датчиков 5 тыс. раз в секунду дает измерить профили вибраций и быстротекущие процессы. Нет сомнений, что с передачей данных у SpaceX все хорошо. И картина испытания понятна во всей необходимой полноте.

Так что с оценкой третьего пуска?

Прохождение баллистической дуги стало главной победой пуска. Оставшиеся до орбиты 0,5 км/с не принципиальны, это лишь выбор момента выключения двигателей. Обе части «Старшипа», однако, не пережили полет; в оценках постановления №804 это несанкционированные разрушения и ракеты, и космического аппарата. Притом разные: один пуск — две аварии, закончившие испытание.

Общая оценка прошедшего пуска может быть любой и поэтому не так важна. Достигнутые параметры и этапы полета отлично вписываются в программу испытаний, хотя аварийные концовки не дошли до приземлений. Оценка этих событий разного знака не изменит график полетов. В нем третий пуск лишь очередной и ощутимый шаг вперед.

Что ждать в следующем запуске? Нет сомнений про стартовую баллистику «Старшипа», она вряд ли подведет; хотя бывает всякое. В прицеле пуска аэродинамика и управление движением на посадке. Работа на всех гиперзвуковых и сверхзвуковых режимах и переход в дозвуковую вертикаль с полной сменой картины обтекания. Четвертый запуск ожидается в начале мая. Возможно, у него есть шансы стать успешным в полном значении, по самым жестким аксиомам. Но шанс и его первая реализация обычно разделены. Атмосфера задаст те же трудные задачи и, скорее всего, отсрочит полностью успешный полет.

В перспективе испытаний

Дальше в планах сложное и невиданное ранее приземление ускорителя на взлетно-посадочную башню. А лунный вариант «Старшипа» нацелен на посадку другого типа, без атмосферы и в шесть раз более слабой гравитации. С последующими взлетами с Луны. Выход на околоземную орбиту дополнится стыковками и дозаправкой других кораблей с перекачкой сотен тонн криогенного топлива. Она нужна и на окололунной орбите будущей орбитальной станции Gateway. Танкеры «Старшип» пойдут туда и обратно к Земле. В случае успеха придет черед полетов на Марс и посадок в его тонкой атмосфере. А потом и стартов оттуда на Землю с заправкой местным марсианским топливом. Все эти задачи стоят в графике большой поэтапной программы летных испытаний космической системы «Старшип».

SpaceX намерена сделать и еще более тяжелую третью версию системы V3. В случае ее создания высота носителя достигнет 150 метров, а взлетная тяга 10 тыс. тонн. Такой монстр сможет выводить на низкую орбиту груз в 200 и даже 300 тонн, это половина МКС одним запуском. Но это дальнейшая и гипотетическая стадия развития, хотя и уже оглашенная Маском. Она выглядит пока фантастической, но не более чем третий полет «Старшипа» из совсем недавнего прошлого.

Прогнозировать, что и когда получится в ходе опытной отработки конструкции и куда дойдут полеты, дело ненадежное. Испытания никогда точно не предсказуемы. Тем более в столь обширной программе, проходящей лишь второй этап: полеты носителя в сборе. Он будет насыщенным, в этом году возможны шесть-семь стартов. Что принесут эти запуски, давайте посмотрим вместе.