Испытание огнем: как SpaceX готовит корабль Незнайки к полету на Луну
7 февраля 2019 года SpaceX впервые вывела ракетный двигатель Raptor на полную мощность, нужную для его использования в космических полетах. Уже в этом году с помощью нового движка поднимут в воздух демоверсию космического корабля Starship, второй ступени BFR. На первый взгляд, Илон Маск сделал большой шаг назад: вместо разработки специализированного корабля для полетов к Марсу он пошел на компромиссный, «дауншифтерский» вариант BFR. Сделал он это с целью побыстрее получить корабль, пригодный для пилотируемого полета к Луне. Удастся ли ему отобрать хлеб у будущих сверхтяжелых ракет NASA и «Роскосмоса», создаваемых специально для лунных миссий?
Почему самая современная ракета Земли напоминает старые детские книжки?
В советской сказке «Незнайка на Луне», вышедшей задолго до рождения Маска и появления SpaceX, транспорт для пилотируемого полета на Луну описывается так: «...Внешняя оболочка ракеты была сделана из сверхпрочной нержавеющей стали. Под этой стальной оболочкой была вторая оболочка...».
Это довольно забавное совпадение. Дело в том, что в конце 2018 — начале 2019 года Илону Маску с большим трудом, преодолевая нешуточное сопротивление, удалось отговорить инженеров SpaceX делать ракету из углепластика. Вместо этого по его настоянию обшивку делают из нержавеющей стали. Причем эта стальная оболочка двухслойная и, как в сказке Носова, особо прочная. В отличие от обычной нержавейки ее будут обрабатывать сжиженными газами, имеющими сверхнизкие температуры — для получения максимальной прочности.
4 февраля 2019 г.
Однако на фоне новой ракетной концепции Маска ракета из «Незнайки», честно сказать, выглядит консервативно. В отличие от корабля из детской книжки на BFR нет внутренней полимерной оболочки для защиты экипажа от радиации. Связано это с тем, что сейчас уровень космической радиации известен лучше, чем полвека назад. Уже понятно, что она опасна только в перелетах длиннее полугода (а Маск обещает добраться быстрее — за 4 месяца). Поэтому второй, внутренний слой обшивки BFR сделан не из защитных полимеров, а тоже из нержавеющей стали. Два слоя понадобились, чтобы пускать между ними небольшое количество жидкого метана. При торможении в атмосфере тот будет частично испаряться через специальные отверстия в первом слое обшивки, унося от ракеты лишнее тепло.
Первая ступень BFR будет садиться на хвост, так же как и первая ступень уже летающих Falcon 9 от SpaceX. А вот вторая — объединенная с пилотируемым космическим кораблем и называемая Starship — использует совершенно необычный и до того никогда не практиковавшийся метод посадки. Она будет спускаться, повернувшись «брюхом вниз» — чтобы гасить основную часть энергии падающего корабля трением об атмосферу, почти не тратя на это топливо. Именно для того, чтобы выдержать нагрев от такого торможения и выгодно применить нержавейку. Она не теряет прочности как минимум до 800оС, тогда как углепластик начинает делать это уже при 150оС.
Raptor: дважды невиданный зверь
Как мы уже писали, двигатель для BFR не менее необычный, чем она сама. И именно поэтому половина затрат SpaceX на проект BFR ушла на этот новый ракетный двигатель — Raptor.
Первая бросающаяся глаза в черта Raptor — метановое горючее. Нигде в мире до 2019 года ни одна космическая ракета не летала, используя как горючее жидкий метан. Его преимущества довольно очевидны. Он куда дешевле, чем керосин и тем более водород или твердое ракетное топливо. К тому же он куда плотнее жидкого водорода, а значит, ракета из него выйдет компактнее. Еще одно преимущество: в отличие от керосина метан можно добыть из марсианского грунта. Но и трудности на пути к светлому метановому будущему велики. Никто и никогда не делал такие ракетные двигатели серийно, то есть SpaceX здесь выступила в трудной роли первопроходца. Следует отметить, что метановые ракетные двигатели в настоящее время разрабатываются и в России, в НПО «Энергомаш».
Вторая необычная черта двигателя — то, что в нем, в отличие от двигателей с использованием керосина, все жидкое топливо превращается в газ. Благодаря этому уже в первой полноразмерной версии Raptor удалось поднять давление в камере сгорания до 250 атмосфер. На неполноразмерных, демонстрационных образцах, испытывавшихся компанией ранее, было не более 200 атмосфер. 250 атмосфер — показатель, близкий к среднему давлению в российском двигателе РД-180, одном из лучших среди существующих.
Илон Маск уже отметил, что пока пошел на компромисс в отношении давления в камере сгорания Raptor. Изначально задуманное давление в 300 атмосфер (оно еще больше поднимет эффективность двигателя) будет реализовано только на более поздних версиях движка. По этой же причине на Raptor пока стоят универсальные сопла, хотя для «марсианской» версии BFR придется делать специальные сопла для вакуума (на двигателях второй ступени) и для работы в атмосфере (на первой ступени).
Почему Луна вместо Марса?
Временный компромиссный вариант Raptor уже стал самым совершенным из существующих на планете ракетных двигателей. И потому, что он метановый (самое перспективное из ракетных топлив), и потому, что пока он единственный способен превращать в газ практически все свое жидкое топливо: так экономичнее и нет загрязнения двигателя, проще перезаправлять. Но встает вопрос: почему болеющий Марсом Маск все же пошел на создание «временной», лунной версии Raptor?
Дело в том, что Илон Маск не просто «полностью сумасшедший» мечтатель, как его ласково называют коллеги по западной космической отрасли, но и крайне практичный бизнесмен. На данный момент NASA на Марс лететь не планирует, потому что не верит, что это реально при текущем уровне ракетной техники. В BFR в NASA также не верят, но не верят не бесплатно, а за очень большие деньги.
Дело в том, что агентство освоило уже очень много миллиардов долларов на разработке куда менее мощной и куда более дорогой — но зато «своей» — ракеты SLS. В такой обстановке для NASA ракета BFR — это острый нож, приставленный к горлу. Если детище Маска полетит, будет невозможно объяснить конгрессменам и президенту США, почему надо летать к Луне на одноразовых SLS по полмиллиарда долларов за пуск, а не на многоразовых BFR — с пуском в десять раз дешевле. Так что в NASA объективно заинтересованы в том, чтобы делать вид, что никакой BFR не существует. Соответственно, Маску нужно сделать так, чтобы кто-то — политики и общественное мнение — заломил руки агентству и заставил его заинтересоваться ракетой, более мощной и дешевой, чем собственная ракета NASA.
По сути, есть только один способ сделать это: быстро создать и облетать по возможности более простую версию ракеты BFR. Именно для удешевления и упрощения очень пригодилась и «временная» версия только что испытанного огнем двигателя Raptor, и нержавеющая сталь, куда более дешевая, чем углепластик, и упрощенные по конструкции сопла.
SpaceX и Маску на этом пути осталось оторвать от Земли демонстратор Starship, который поднимется на десятки километров вверх, а затем плавно опустится обратно (тестовая версия называется Starhopper). Это должно случиться уже в 2019 году. Затем будет создана и полноразмерная версия корабля, способная летать в космос. Через несколько лет, после первичных испытаний на низкой околоземной орбите, Starship должен будет совершить облет Луны, неся на борту японского миллиардера, окруженного артистами, которых он возьмет туда по своему выбору.
Речь идет о гигантском по масштабу пиар-шоу. Если эксцентричный японец не откажется играть в нем роль актера второго плана — шоу удастся на славу. После него у NASA просто не будет никакой возможности отказаться от использования BFR для полетов к Луне. Не получится конкурировать с BFR и у будущей российской сверхтяжелой ракеты. Уже решено, что она будет одноразовой, как и SLS, — а значит, автоматически более дорогой. Тем более что и SLS, и первый вариант российского сверхтяжа смогут только облететь Луну, но не сесть на нее. А Starship и в своем временном, «лунном» варианте достаточна мощна, чтобы посадить туда экипаж, набрать немало образцов лунного грунта и льда и спокойно вернуться на Землю.
Идя на «лунно-компромиссный» вариант Raptor и BFR, Маск варит «суп из топора». Он не может заставить слишком жадное и ни во что не верящее NASA финансировать полет к Марсу. Но если ему удастся заставить агентство заплатить ему же за полеты к Луне, средства на доводку марсианской версии BFR у SpaceX появятся.