Эволюция комической программы SpaceX: от Falcon до Starship

Снижение стоимости доступа в космос и появление у человечества возможности колонизации Марса заявлялись Илоном Маском в качестве цели существования SpaceX с момента основания фирмы в мае 2002 года. Однако столь амбициозные планы невозможно было реализовать с начальными инвестициями Маска, составлявшими около $100 млн, так что SpaceX начали свою работу с разработки довольно скромной ракеты-носителя «Falcon 1», способной выводить всего 420 кг на низкую околоземную орбиту. Однако уже в ноябре 2005 года, до запуска своей первой ракеты, когда вся фирма насчитывала лишь около 160 сотрудников, он объявил о планах создания для полётов на Марс сверхтяжёлой ракеты, способной доставлять на орбиту уже 100 тонн полезного груза. Проект получил название «BFR», который в последствии стал официально расшифровывающийся как Big Falcon Rocket, а изначальное неофициальное название переводилось как «чертовски большая ракета». На 1-й её ступени должна была стоять увеличенная версия кислород-керосинового двигателя фирмы «Merlin 2», в котором абляционное охлаждение камеры сгорания собирались заменить на регенеративное.

В первом случае для охлаждения камеры используется специальный материал на стенках камеры, который постепенно испаряется, а во втором случае для этого используется прокачка топлива или окислителя через множество тонких трубочек в стенках. По своей тяге этот двигатель должен был уступать лишь РД-170, а на 2-й ступени должен был стоять кислород-водородный двигатель «Raptor».

Но первые 3 неудачных запуска Falcon 1 к концу 2008 года поставили фирму на грань разорения, так что стратегические планы пришлось на время отложить в пользу поиска средств для реализации текущих проектов. Тем не менее уже 30 июля 2010 года Том Маркусич (Tom Markusic) представил на презентации «AIAA Joint Propulsion» технические подробности проекта.

На тот момент ракета представляла из себя увеличенную Falcon 9, имеющую 3 версии: Falcon X/Falcon X Heavy с диаметром в 6 м и Falcon XX с диаметром в 10 м. Для них предусматривалась пара двигателей: первая ступень должна была приводиться в движение керосиновыми двигателями «Merlin 2» с тягой в 770 тонно-сил и импульсом в 285 секунд на уровне моря и 870 тонн и 321 секунды в вакууме, при давлении в камере сгорания в 138 атмосфер в обоих случаях. На вторую ступень предполагалось установить водород-кислородный двигатель «Raptor» с тягой 68 тонн и импульсом 470 секунд, при давлении в 117 атмосфер. Ракеты-носители должны были выводить на низкую околоземную орбиту 38, 125 и 140 тонн полезного груза соответственно.

Сравнение размеров новой линейки ракет с Falcon 9 и Сатурн-5 (слева).

Однако почти сразу оказалось, что сделать систему, имеющую 2 типа топлива, одним из которых к тому же является водород, дешёвой явно не получится. А так как одним из ключевых подходов в работе SpaceX Илон Маск объявлял отказ от дорогостоящих решений, то от этого варианта практически сразу решено было отказаться. В ноябре 2012 года Маск публично заявил, что на их новой ракете будут установлены метаново-кислородные двигатели. А чуть позже объявил об её загадочной аббревиатуре «MCT», которая оказалась аббревиатурой названия «Марсианский колониальный транспорт» (Mars Colonial Transport), который должен был перевозить на Марс по 100 человек за раз.

Во втором квартале 2013 года Маск заявил о том, что SpaceX не будет проводить IPO (размещение акций на бирже) до тех пор, пока не начнутся регулярные полёты MCT к Марсу. Причиной этого он назвал то, что биржевых инвесторов не интересуют столь длительные в реализации проекты, что в итоге могло бы привести к конфликтам в руководстве фирмой.

Также в это время было объявлено о том, что тяга «Раптора» будет увеличена до 300 тонн. А 19 февраля 2014 года на конференции в Санта-Барбаре (штат Калифорния) вице-президент SpaceX по двигателестроению Томас Мюллер объявил, что Raptor будет иметь схему с полной газификацией компонентов топлива. Подобных двигателей на тот момент существовало лишь 2 в мире — советский 640-тонный РД-270 и американский 112-тонный IPD — испытания обоих по разным причинам так и не были завершены.

Благодаря тому, что разработки по IPD шли под эгидой NASA, и тем самым принадлежали всем гражданам США сразу, SpaceX воспользовались ими, а также получили доступ к оборудованию и даже переманили часть работавших над ним специалистов, так как этот проект не имел продолжения. Испытания газогенератора «Раптора» начались в мае 2014 года, а к 21 апреля в Космическом центре имени Стенниса (штат Миссисипи) был закончен стенд для испытания всех подсистем двигателя. Вскоре после этого там начались испытания уменьшенной версии двигателя, обладающего тягой около 100 тонн.

28 сентября 2016 года на Международном конгрессе астронавтики Илон Маск впервые лично представил проект марсианского транспорта, который должен был обладать поистине безумными характеристиками. Имея 12 метров в диаметре и 122 метра в высоту, эта 2-х ступенчатая ракета-носитель «ITS» (расшифровывающаяся как «Межпланетный транспортная система») должна была иметь общую массу в 10,5 тыс. тонн, развивать тягу двигателей в 13 тыс. тонн и выводить на орбиту 300 и 550 тонн грузов в многоразовом/одноразовом вариантах. По этим показателям ITS должен был превосходить как минимум в 3,5 раза все предыдущие ракеты-носители, которые когда-либо были созданы.

Двигатель Raptor на тот момент должен был развивать 310 тонн-силл тяги при импульсе в 334 сек в атмосферной версии, а в вакуумной — 357 тонн-сил и 382 сек импульса. Давление в камере сгорания двигателя также должно было превосходить все существовавшие на тот момент аналоги, достигая 300 атмосфер.

Первая ступень должна была иметь сухую массу всего лишь 275 тонн, при общей массе ступени в 6975 тонн, и иметь 42 атмосферных Раптора. Корабль и танкер должны были иметь сухую массу по 150/90 тонн, полезную нагрузку в 300/380 тонн и общую массу в 1950/2500 тонн соответственно. На них должно было устанавливаться по 3 атмосферных и 6 вакуумных версий двигателя, а их длина составляла бы 49,5 метров. При этом планировалось добиться стоимости запуска всего в $43 млн для корабля и $8 млн для танкера, что с учётом отправки на корабле по 100 пассажиров за раз, давало стоимость билета всего в $140 тыс. на человека.

Для того чтобы понять, сколь безумные показатели закладывались в эту систему, достаточно взглянуть на её массовое совершенство (отношение массы пустых ракетных ступеней к полной массе заправленных): так у первой ступени оно должно было составлять 0,039, а у танкера — и вовсе 0,036. Для сравнения у российско-украинской ракеты «Зенит-3МС» этот показатель составляет лишь 0,079 для 1-й ступени и 0,094 для 2-й, а у ракеты-носителя Falcon 9 Block 5 эти значения составляют соответственно 0,065 и 0,04. Добиться всего этого SpaceX планировала за счёт повсеместного использования углепластика в качестве конструкционного материала.

Совсем не удивительным в такой ситуации является то, что проект столкнулся с серьёзными техническими проблемами. На очередном Международном конгрессе астронавтики 29 сентября 2017 года Илон Маск снова представил проект, который претерпел серьёзные изменения в сторону уменьшения. Общую массу системы сократили до 4400 тонн, при 5400 тонно-сил тяги и 31 двигателе на 1-й ступени. Размеры системы также уменьшились: диаметр стал составлять 9 метров, а общая высота — 106 метров. На корабле осталось 3 атмосферных и 4 вакуумных двигателя, при общей массе конструкции в 1335 тонн и длине 48 метров. Характеристики Рапторов также сократились: до давления в 250 атмосфер, 173 тонн-сил тяги при импульсе в 330/356 сек в атмосфере/вакууме у атмосферной версии, и 194 тонн-сил тяги при импульсе в 375 сек для вакуумной версии.

Однако были и хорошие новости: к этому моменту уменьшенная версия Раптора на ≈100 тонно-сил тяги прошла уже 42 испытания, общей продолжительностью более 20 минут. При этом давление в камере сгорания удалось поднять до 200 атмосфер.

В 2018 году презентация изменений в системе была совмещена с представлением первого пассажира корабля — миллиардера Юсаку Маэдзавы — так что техническая часть получилось довольно скудной. Пожалуй главными изменениями, о которых сообщил Маск в этой презентации 17 сентября 2018 года, стало увеличение длины корабля до 55 метров и установка на нём 7-ми двигателей Raptor только атмосферной версии. Причиной таких изменений стало желание быстрее перейти к коммерческой эксплуатации системы.

В октябре 2018 года Маск принял решение о переходе в качестве конструкционного материала многоразовой системы на сталь, что в последствии назвал лучшим конструкторским решением по этой системе, так как сталь стоит всего 2% от стоимости углеволокна ($3 против почти $200 за 1 кг), а также имеет большую прочность при криогенных и высоких температурах.

В начале декабря 2018 года на частном космодроме SpaceX в Бока-Чика (штат Техас) началась сборка необычного аппарата, который окончательно принял свою форму к 10 января. Этим аппаратом оказался Starhopper – 39-метровая уменьшенная версия корабля Starship, предназначенная для первых лётных испытаний двигателя, технологий изготовления криогенных баков и их заправки.

Для проведения испытаний Starhopper в Бока-Чика были установлены баки объёмом в 432 м3 для жидкого кислорода и 364 м3 для жидкого метана, которые заблаговременно заправлялись грузовиками-газовозами. Работы внутри и на поверхности Starhopper продолжались ещё в течении нескольких месяцев, и для удобства доступа внутрь его носовую часть некрепко закрепляли, из-за чего 23 января штормовой ветер со скоростью в 80 км/ч сорвал и повредил обтекатель. Его решили не восстанавливать, а накрыть Starhopper полусферической крышкой.

Однако уже утром 3 февраля снова появились хорошие новости о проекте: на тестовом полигоне в МакГрегоре (штат Техас) начались первые испытания полноразмерного Раптора, которые сразу стали идти в очень агрессивном темпе.

Уже к 7 февраля Raptor развил 172 тонн тяги при давлении в камере сгорания в 257 атмосфер на «тёплом» топливе, что было выше необходимого порога в 170 тонно-сил для применения его на ракете-носителе и корабле. 10 февраля удалось достичь давления в 268,9 атмосфер, что соответствовало примерно 180 тонн тяги. А к 21 февраля двигатель №1 был запланированно повреждён в испытании на развитие максимально возможного давления.

Перевозка Starhopper к месту старта 8 марта 2019 года в Бока-Чика, штат Техас.

3 апреля Starhopper выполнил первый прожиг с двигателем №2, чему последовал небольшой подскок на «привязи» 5 апреля, на высоту около 1 метра.

В мае произошла закладка корабля Starship Mk1 в Бока-Чика, а в тоже время в местечке Коко (штат Флорида) началась параллельная закладка Starship Mk2! Команды строившие прототипы применяли различные методы постройки, соревнуясь тем самым между собой, ради чего им дали названия: Mk1 в Бока-Чика строила «красная» команда, а строившая Mk2 в Коко команда стала «синей». Это принесло свои плоды, так как синей команде из Кокоа с самого начала удавалось продвигаться в строительстве заметно быстрее, хотя начинали строительство они немного позже. Но чтобы закончить постройку Mk1 ко времени презентации, часть их команды временно перебросили в Бока-Чику.

В тоже время продолжались и испытания Starhopper: 22 июля он совершил полноценный полёт длительностью 22 секунды и высотой в 18 метров.

Однако испытания двигателя шли не совсем гладко: в борьбе с техническими проблемами были потеряны двигатели №3 и 4, а у №5 из-за недостатков конструкции произошло смещение статора кислородной турбины, из-за чего его решили также разобрать на запчасти.

Всё это вместе с проблемами опасных вибраций на частоте 600 Гц удалось победить на образце Раптора №6. И хотя у него сохранялась опасность повреждений при тяге около 40%, это тем не менее не мешало проведению длительных испытаний Starhopper, так как при этом тяга не должна была опускаться ниже 50%.

27 августа состоялся финальный полёт Starhopper с двигателем №6 на высоту в 150 метров, длившийся около 57 секунд. После этого его решено было использовать только для испытательных прожигов двигателей.

Тут стоит отметить, что такое большое расходование двигателей в процессе испытаний является вполне обычным делом: так на испытаниях РД-270 их было использовано 22 штуки, при том что для полного завершения испытаний их требовалось целых 200 штук.

Тем не менее проблемы с дросселированием двигателя привели 28 июня Илона Маска к идее создания упрощённой версии двигателя на постоянную тягу в 250 тонн. Также в июне стало известно, что успехи в ходе испытаний Starship убедили 3 телекоммуникационные компании выбрать этот носитель в качестве средства доставки своих спутников на орбиту в 2021 году.

По текущим данным, прототип корабля Starship Mk1 весит ≈200 тонн при высоте в 50 метров, но к 4-му или 5-му кораблю массу планируется снизить до 120 тонн. Масса корабля должна будет достигать 1400 тонн, а общая масса системы — целых 5000 тонн.

На данный момент SpaceX уже подало заявку в FAA на испытательный полёт Starship Mk1, который по словам директора SpaceX по контрактам в сфере национальной безопасности Гари Генри, должно состояться примерно через 2 месяца. А по словам Маска, Starship может впервые выйти на орбиту уже в 2020 году, что предполагает сборку к этому моменту ещё и 1-й ступени — Super Heavy.

Raptor

За последнее время Маск также сообщил некоторые подробности об устройстве двигателя. Его камера сгорания и сопло имеют рубашку охлаждения из фрезерованных медных каналов, нагрузки от которой передаются на кожух из инконеля. А для эффективного смешения компонентов топлива используется множество соосных центробежных форсунок. Также примечательно, что мощность турбин в одном «Рапторе» составляет целых 74 мегаватт.

Маск также сообщил, что к концу года планируется выйти на скорость производства в 500 Рапторов в год. По его оценкам серийное производство позволит снизить их стоимость более чем в 10 раз. В будущих версиях планируется достигнуть массы Раптора в 1,5 тонны при тяговооружённости больше 170. Также согласно экологическому анализу стали известны характеристики сопла Раптора:

Характеристика Радиус критического сечения Радиус скругления Угол касания Выходной диаметр сопла Длина сопла
Значение 0,111 м 0,033 м 32° 1,3 м 1,53 м

Сравнительная таблица характеристик всех версий Starship (здесь есть увеличенная версия):

Автор:
Источник: https://habr.com/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!