Полет "Старшипа" к Марсу с возвращением на десятом километре

Марс стал на 10 километров ближе! Таким девизом можно охарактеризовать полет тестового прототипа SN15 американского космического корабля Starship, который создается для полета к далекой красной планете. Что это за полет, и каково его значение для космонавтики - в материале на Автомалиновке.

Полеты звездных кораблей в Бока-Чика

Полет прототипа Starship SN6 на высоту 150 метров

Предыдущий материал под названием - Полеты звездных кораблей в Бока-Чика был опубликован Автомалиновкой в 2020 году. В нем рассказывается о предшественниках нынешнего Старшипа - его ранних прототипах 2020 года и советской лунной ракете Н-1, построенной в 60-годах прошлого века. Мы рекомендуем прочитать этот материал, потому что там подробно разбирается смысл происходящего. А сейчас мы остановимся только на том, что же поменялось в Бока-Чика за прошедший год.

С осени 2020 года "Старшип" преобразился из странной цистерны в настоящую ракету, как будто сошедшую с экранов фантастических фильмов начала XX века. У его появился головной обтекатель и аэродинамические рули, а в хвостовом отсеке - три ракетных двигателя (РД) "Раптор" вместо одного. Все это для того, чтобы решить следующую поставленную задачу - подняться на высоту 10 км и вернуться на стартовую площадку.

Первый полет нового прототипа SN8 состоялся еще в декабре 2020 года. Ракета высотой 50 метров и диаметром 9 метров стартовала на трех работающих ракетных двигателях. Затем, последовательно отключая двигатели по схеме 3-2-1-0, она достигла высоты 12.5 км и начала падать под действием силы тяжести. Но при попытке посадки врезалась в площадку. Ракетные двигатели не вышли на заданную тягу.

Последующие полеты "Старшипа" проводились на высоту 10 км. Все ракеты успешно достигли заданной высоты, но посадки прототипов SN9, SN10 и SN11 также завершились неудачно из-за нештатной работы ракетных двигателей. SN9 врезался в землю, SN10 взорвался через 8 минут после посадки из-за возникшего пожара, а SN11 взорвался в воздухе.

Почему взрывались тестовые Старшипы?

Действительно почему? Мы много раз видели в фильмах, как большие ракеты садятся своих реактивных двигателях - это происходит красиво и эффектно. Но в реальности все оказалось намного сложнее.

По выбранной схеме посадки "Старшип" падает горизонтально. Полет плашмя позволяет снизить скорость падения за счет сопротивления воздуха примерно до 320 км/час (90 м/сек), что экономит последующие затраты ракетного топлива. На высоте 500 метров "Старшип" складывает свои нижние аэродинамические рули и вновь включает ракетные двигатели для поворота из горизонтального положение в вертикальное. После чего сбрасывает остаточную вертикальную скорость с помощью реактивного торможения. Торможение производится на двух работающих РД поскольку тяга одного "Раптора" недостаточна, а трех - избыточна. При этом третий РД играет роль резервного.

Ракетные двигатели Raptor на космолете Starship

Проблема состоит в том, что при проблемах с включением двигателей и их выходом на заданную тягу происходит жесткая посадка. При этом резервный двигатель не успевает включиться. При запуске прототипа SN10 включили сразу три РД в режиме пониженной тяги, но касание площадки производится только при одном работающем РД, который не набрал заданную тягу. Поэтому приземление произошло слишком жестко. А при попытке посадки SN11 один из трех РД взорвался в воздухе из-за утечки ракетного горючего - метана.

Принципиальная разница между взлетом и посадке ракеты состоит в том, что при аварии во время набора тяги двигательной установки можно прервать процедуру старта. Но при аварии РД во время посадки происходит столкновение с землей при вертикальной скорости, исключающей сохранение целостности конcтрукции. Самолетная посадка безопаснее, поскольку он выполняется в режиме планирования с малой вертикальной скоростью. Известно, что все 134 посадки "Шаттлов" и "Буранов" на аэродром прошли штатно.

Посадка SN15 проводилась на двух работающих РД, один из который отключился после гашения вертикальной скорости. Аппарат сел на самом краю посадочной площадки, так что даже небольшое отклонение в сторону могло завершиться опрокидыванием ракеты и ее взрывом. Но в этот раз все завершилось благополучно - конструкторы SpaceX доказали возможность совершить посадку на новых ракетных двигателях с переворотом из горизонтального положения в вертикальное. Впервые в истории ракетной техники! Однако, открытым остается вопрос, каким будет соотношение успешных и неуспешных посадок при дальнейших испытаниях.

Реактивная посадка - один из самых больших технических рисков "Старшипа". Беспилотные запуски могут иногда заканчиваться аварией, пилотируемые - никогда. Между тем, "Старшип" должен садиться со своим экипажем на Землю, Луну и Марс. По нормативам НАСА, риск потери экипажа во время космического полета требуется снизить до уровня 1:500 - в то время как достигнутый в американской космонавтике уровень безопасности на порядок меньше. Между тем, в "Старшипе", по аналогии с "шаттлами", не предусматриваются никакие средства аварийного спасения и ставка делается лишь на безупречную работу техники.

Зачем все это делается?

Итак, так, Старшип преодолел первые 10 из 190 млн. километров, требуемых для полета к Марсу. Но прервал полет к далекой планете и вернулся обратно на Землю. Что дальше? А дальше предстоят испытания ускорителя "Старшипа" - грандиозной ракетной ступени "Суперхэви" (Super Heavy). 67 метров высоты, 9 метров в диаметре и 28 ракетных двигателей Raptor - эта махина должна придать "Старшипу" первоначальное ускорение для его дальнейшего полета на околоземную орбиту. Выполнив свою задачу, Super Heavy должна вернуться на космодром для повторного использования.

Сейчас в Бока-Чика выполняется сборка тестовых прототипов Super Heavy. Прототип BN1 был сварен и разобран - от него осталась только. Прототип BN2 предназначен для проведения наземных испытаний, а прототип BN2.1 будет совершать тестовые полеты. После этого будет предпринята попытка запустить на орбиту 120-метровую сборку Super Heavy/Starship BN3/SN20 с выходом "Старшипа" на околоземную орбиту. По анонсированному плану, произойдет это уже в июле 2021 года.

Полет на орбиту - это еще один технический вызов Super Heavy/Starship. В полетной конфигурации ракетная система включает 28 РД Raptor на первой ступени Super Heavy и 6 РД Raptor на второй орбитальной ступени Starship. Таким образом, общее число ракетных двигателей составляет 34 - это беспрецедентная по своей сложности и мощности ракетная система.

Ракетные системы с большим числом высокоэффективных РД замкнутой схемы еще никогда не выходили на околоземную орбиту. В 60-70-годах СССР испытывал лунную ракету Н-1 Л3 c 42 ракетным двигателями НК на 1, 2 и 3 ступени. Но все ее полеты завершились авариями на этапе работы первой ступени. Оказалось, что ракетная техника того времени еще не была готова к решению столь сложной задачи.

РД замкнутой схемы используют ракетное топливо наиболее эффективно, но характеризуются повышенной вероятностью отказа или даже взрыва. Поэтому эти РД снабжаются быстродействующей системой авариной защиты (САЗ), которая должна отключить аварийный РД до того, как он разнесет себя и ракетную ступень не мелкие обломки. А также РД резервируются, чтобы оставшиеся "в строю" двигатели взяли на себя функции отключенного РД. Разработчики Н-1 не сумели создать эффективно работающую САЗ для РД НК-15 и это стало одной из основных причин неудачи советского проекта.

В самом последнем, четвертом запуске ракета Н-1 поднялась на высоту 40 км и взорвалась. "Старшип", как мы знаем, пока летал только на высоту 12.5 км, но в ближайшее время он попытается перекрыть достижение 50-летней давности, понявшись на околоземную орбиту высотой около 200 км. Если считать запуски Н-1, то летом 2021 года предстоит попытка номер пять. Во время которой нам предстоит узнать - были ли правы создатели многодвигательной установки ракеты Н-1 и правильно ли поступили в Советском Союзе, свернув программу по ее созданию.

Что касается Марса, до которого 190 млн. километров - да, он очень далек... Но каждый маленький шаг на этом пути приближает нас к его покорению!

Видео полета и посадки Starship SN15

Пока американцы испытывают свой пилотируемый космолет, вы можете прочитать о полетах автоматических межпланетных станций:
Автоматические станции 2021 года прибывают к Марсу