Суперхэви-Старшип штурмует ближний космос

В позапрошлом году мы с интересом наблюдали за испытательными полетами американского многоразового космолета "Старшип":
Полет "Старшипа" к Марсу с возвращением на десятом километре

Этот космолет сам по себе не может подниматься высоко - слишком сильно притяжение Земли, чтобы от нее могла улететь одноступенчатая метановая ракета. Чтобы выйти на орбиту, Старшипу нужен ускоритель - первая ступень, обладающая чудовищной тягой. Ее задача состоит в подъеме тяжелого космолета на высоту в десятки километров и придании ему гиперзвуковой скорости, чтобы он при дальнейшем разгоне довел ее до орбитальной. Причем речь пока идет только о полетах в ближний космос, т.е. на низкие и средние околоземные орбиты. Чтобы полететь дальше, к Луне и Марсу, Старшипу требуется многопуск с дозаправкой на орбите.

В апреле 2023 года самая мощная в мире ракета была готова к своему первому испытательному полету.

Содержание

1. Суперхэви и Старшип
2. Первый старт Суперхэви / Старшипа
3. Значение запуска Суперхэви / Старшипа
4. Разрушения стартового сооружения
5. Интервью Маска
6. Видео первого испытания Суперхэви / Старшипа

Суперхэви и Старшип

Масштабы Суперхэви впечатляют. 5000-тонную ракету-носитель (РН) поднимают в воздух 33 богатырских ракетных двигателя (РД) с проектной суммарной тягой 7590 тонн. Число двигателей у Super Heavy на 3 больше, чем у первой ступени советской ракеты H-1, которая так и не поднялась в космос:
Космические гонки XX и XXI века, часть 2: несбывшаяся мечта Королева

Установленный на Суперхэви Старшип оснащен шестью двигателями Raptor 2 - тремя земными, как у Суперхэви и тремя космическими Raptor 2 Vacuum с вакуумными соплами, которые еще ни разу не испытывались в полете. Он немного короче Суперхэви - 50 метров против 69 и имеет тот же диаметр - 9 метров. Незаправленная ракета вытягивает на 200 тонн в своей нижней ступени и 100 тонн в верхней ступени. А масса Старшипа с топливом (жидкий метан и жидкий кислород) заявлена как 1300 тонн против 3600 тонн у Суперхэви, вместе с 100 тонн полезной нагрузки (ПН) под обтекателем Старшипа получается 5000 тонн! Ракеты с такой большой стартовой массой еще не было в истории космонавтики!

Внешне простая, как очень толстый карандаш, ракета является квинтэссенцией ракетных технологий XXI века. Многие ее решения, как ракетные двигатели по схеме газ-газ, цельнометаллический корпус для торможения в атмосфере и реактивная посадка на стартовую площадку с механическими захватами прежде никогда не применялись в мировом ракетостроении. А по грузоподъемности Суперхэви / Старшип превосходит любой большегрузный автопоезд, которому разрешено перемещаться по нашим дорогам. В этом с ним соперничают только карьерные самосвалы БелАЗ - среди которых тоже есть модели, работающие на СПГ (метане).

Сравнение проекта Старшипа 2020 года с ракетой Королева H-1 и перспективной ракетой New Glenn проведено в нашей статье:
Полеты звездных кораблей в Бока-Чика.

Первый старт Суперхэви / Старшипа

Итак, 17 апреля 2023 года гигантская метановая ракета был готова к своему первому старту IFT-1 (Integrated Flight Test 1). Было получено разрешение от американской FAA (Federal Aviation Administration), выданы предупреждения, перекрыты дороги и проведена заправка компонентами ракетного топлива. Но из-за нештатного давления в топливной система запуск пришлось отменить. Ракетное топливо - метан и кислород - частично слили, частично испарили в атмосферу.

Через три дня, 20 апреля 2023 года состоялась вторая попытка запуска, как и первая - с прямой трансляцией по Ютубу, за которой следили миллионы зрителей. Суперхэви оторвалась от стартовой конструкции, неся на себе Старшип, который должен был выйти на одновитковый полет вокруг Земли к Гавайям. Из предосторожности ракетные двигатели Суперхэви работали всего на 90% проектной тяги, а кроме того, они отключались автоматикой во время полета при малейшем подозрении на нештатную работу. Эта предосторожность требовалась для того, что взрыв любого из 33 "Рапторов" первой ступени не разрушил сверхтяжелую ракету. Считалось, что даже при множестве отключенных РД Super Heavy сможет выполнить свою работу благодаря запасу тяги - 137% от стартовой массы ракеты. Ракета поднималась сначала на 30 РД и 33, затем не 29, 28, 27... По данным с камер, в конце активного участка было отключено 8 РД, а по данным телеметрии - 6 РД.

Телеметрия полета Super Heavy B7 / Starship S24

Поначалу полет проходил более или менее стабильно, но на 139 секунде ракета потеряла устойчивость по тангажу и стала вращаться вокруг поперечной оси. Теряя скорость, она поднялась до высоты 39 км и начала падать. Отделение второй ступени - Старшипа не произошло, поскольку при полете в штатном режиме оно должно выполняться на гораздо большей высоте - 65 км. Двигатели Суперхэви продолжали работать. На 241 секунде телеметрия обрывается после ввода в действие системы аварийного прекращения полета.

Вот так закончился полет Суперхэви / Старшипа. Ракета Маска не достигла условной границы космоса (100 км), в отличие от двух предыдущих полетов метановых ракет, китайской и американской:
Метановая ракета-носитель впервые достигла космоса (Чжуцюе-2)
Вторая метановая ракета-носитель в космосе - Terran-1
И даже не перекрыла высоту подъема советской сверхтяжёлой ракеты H-1 в ее полете 23 ноября 1972 года - 40 км.

Значение запуска Суперхэви / Старшипа

Неудача? Она была ожидаемой, с учетом того что в космос летела сырая ракета с сырыми ракетным двигателями. В Space X говорили, что если РН уйдет со стартового стола, не упав всей своей массой на стартовые сооружения, то это уже будет удачей. Суперхэви / Старшип преодолел точку максимального атмосферного сопротивления (MaxQ) и показал завидный запас прочности своего стального корпуса при кувырках.

Еще один важнейший момент заключается в испытании парирования отказов ракетных двигателей. Отказов в этом одном полете было невероятно много - до сих пор ракетчики имели дело с одиночными отказами, а тут было 6 или даже 8 отключений! Предварительно - ни один из отказавших РД не взорвался с разрушительными последствиями, все они были вовремя отключены. Это говорит о том, что важнейший параметр надежности многодвигательной установки (ДУ) - коэффициент охвата системы авариной защиты двигателя (КоСАЗ РД) составляет минимум 0.8-0.9.

Отключенные РД Super Heavy B7 / Starship S24

При условии обеспечения КоСАЗ 0.9 и поднятия вероятности безаварийной работы ВБР РД до 0.99 (пока у Рапторов он равен всего 75-80%) создатели Старшипа могут выйти на безаварийную серию из более 20 полетов. Что будет отличным результатом, в сравнении с всего двумя запусками советской "Энергии" и одним прошедшим запуском американской SLS:
Первый запуск сверхтяжелой ракеты SLS по программе Artemis

Что касается потери управляемости ракеты в конце активного участка траектории, то ее СУ (система управления), скорее всего, не была рассчитана на столь большое число отказов и не предусматривала симметризацию тяги путем отключения противоположных ракетных двигателей. Иначе управляемый полет мог быть доведен до штатного разделения ступеней и испытания двигателей второй ступени на длительную работу. А почему не произошло аварийное разделение ступеней во вращении - еще предстоит выяснить, поскольку эта процедура должна быть предусмотрена в конструкции ракеты. Но теперь орбитальный тест предстоит провести во время следующего старта ракеты.

Разрушения стартового сооружения

Возможная причина неудачи, и в этом косвенно признался сам Илон Маск, состояла в его собственной торопливости. Создатели Старшипа не успели укрепить основание стартового стола массивной стальной плитой с водяным охлаждением. Они понадеялись на то, что высокопрочный бетон выдержит и без плиты. И он действительно выдержал прожиг на 50% тяги - но при старте на 90% тяги треснул.

За несколько секунд, в течение которых "Рапторы" набирали стартовую тягу, под стартовым столом развилась катастрофическая ситуация - его бетонное основание раскрошилось в пыль и булыжники, которые разлетелись на много километров вокруг. Как думают, некоторые из них попали в ДУ Суперхэви, повреждая его двигатели и коммуникации - именно этим может быть объяснено аномально большое число отказов РД. Одна из опор стартового стола была разрыта реактивными газами до арматуры - но ракета все-таки успела уйти вверх прежде, чем опора подломилась.

Создателям стартового стола в Бока-Чика, который иронично называют "табуреткой", не хватило опыта, поскольку для запуска своих "Фалконов" SpaceX пользуется готовыми стартовым сооружениями НАСА. Особенно неприятный для SpaceX момент заключается в том, что разлетевшиеся со старта булыжники повредили стоящие на улицах автомобили, а густая бетонная пыль заволокла всю округу - к неудовольствию местных жителей. Маску предстоит объясниться по поводу своих опасных для имущества и экологии ракетных экспериментов.

Интервью Маска

30 апреля на форуме NSF (NASA Space Flight) было выложено большое интервью Маска, которое пролило свет на некоторые подробности аварии:

Версия о повреждении ДУ Суперхэви в результате "каменного торнадо" на стартовой площадке не доказана, но и не опровергнута.
Упоминается о взрыве на 27 секунде, который нарушил связь с двигателем №19, вывел из строя тепловые экраны двигателей № 17-20 и вызвал пожары в кормовой части ракеты.
С 85 секунды начинается процесс, который приводит к потере управления вектором тяги (УВТ). Маск уповает на УВТ с помощью электродвигателей в следующей Super Heavy B9, более живучее по сравнению с гидравлическим приводом c общим коллектором в Super Heavy B7. Возможно, что авионика УВТ была повреждена пожаром из-за недоработок в конструкции тепловых экранов, которые так же модернизируются в Super Heavy B9.
Компенсировать потерю УВТ с помощью разнотяга двигателей не пытались, хотя это могло бы помочь дойти до стадии разделения ступеней.
Отделение Старшипа от терпящей аварию Суперхэви тоже не было предусмотрено. Но, возможно, это стоило предусмотреть. Далее в интервью Маск упоминает, что при аварийном отделении и задействовании двигателей Старшип не долетел бы до заданной точки в Тихом Океане, а упал бы где-нибудь в Африке или около нее.
Много времени Маск уделяет анализу неудач с советской ракетой H-1, которые он объясняет разногласиями между Королевым и Глушко, а также потерей интереса к программе из-за ее дороговизны. Но мы (Space X), если понадобится, сделаем 10 тестовых полетов и добьемся успеха.

В сухом осадке - полет мог продолжаться дольше, но упор делался на обеспечение тяги двигателей, а компенсация отказа гидропривода не была предусмотрена. Поэтому гидропривод "рулевого управления" ракетой заменяется дублированным на нескольких РД электроприводом.

Ждем продолжения полетов Старшипа, которые обещаны нам уже через несколько месяцев!

Видео первого испытания Суперхэви / Старшип

Сокращения:
РД - ракетный двигатель
РН - ракета-носитель
ПН - полезная нагрузка
ВБР - вероятность безаварийной работы
САЗ - система аварийной защиты
ДУ - двигательная установка
СУ - система управления
УВТ - управление вектором тяги

Приложение: расчет ВБР Суперхэви / Старшипа

Для приближенный расчета ВБР многодвигательной ДУ оценивается вероятность взрыва РД при допущении, что любое число из может быть отключено:
P_n = 1 - (1 - a)(1 - Pⁿ)
где a - коэффициент охвата САЗ (0.9), P - ВБР каждого РД (0.99),
n - количество независимо работающих РД (33 для первой ступени и 6 для второй ступени)

Оценка ВБР всей ракеты выполнена по формуле:
P₁P₂P_ст²P_рсP_су = 95.68%
где

P₁	- ВБР ДУ первой ступени (Super Heavy)	=0.96752
P₂	- ВБР ДУ второй ступени (Super Heavy)	=0.99401
P_ст	- оценка ВБР ступени (топливная система и рулевой привод)	=0.999
P_рс	- оценка ВБР разделения ступеней	=0.9995
P_су	- оценка ВБР системы управления РН	=0.995