Старшип 2 впервые потерпел аварию из-за взрыва ракетного двигателя

Дата 6 марта 2025 года оказалась богатой на космические события, но скорее со знаком минус. Про не получившуюся высадку американского зонда IM-2 возле Южного полюса Луны мы подготовили отдельный обзор, а сейчас проанализируем неудачу восьмого испытательного полета американской сверхтяжёлой ракеты Super Heavy / Starship.

Содержание

1. Восьмой полет Super Heavy и второй полет Starship Block 2
2. Испытательный полет Суперхэви / Старшип 6 марта 2025 года
3. Об эффективности системы аварийной защиты РД Раптор
4. Арифметика надежности Super Heavy / Starship
5. Как поднять надежность РД Старшипа?
6. Видео выведения Суперхэви B15 / Старшип S34 (на англ. языке)

Восьмой полет Super Heavy и второй полет Starship Block 2

Восьмой испытательный полет Super Heavy / Starship стал вторым испытанием новой версии космолета Starship Block 2, про которую мы подробно рассказали в нашем недавнем отчете про седьмой испытательный полет. Иcпытание IFT-8 (Integrated Flight Test 8) должно было решить задачу прерванного седьмого полета - вывести Старшип 2 на суборбитальную траекторию и провести в полете отделение макетов спутников Старлинк 3. Но вместо этого полет высветил новые проблемы американского космолета.

Сверхтяжелый ускоритель Super Heavy B15 по-прежнему относится к первому поколению Block 1. Это значит, что он не обеспечивает достаточную тягу для выполнения всех задач по выведению большой полезной нагрузки - но на данном этапе испытаний Старшипа это и не требовалось. В грузовом отсеке Starship S34 разместили всего 4 макета Starlink v3 третьего поколения, каждый весом около 1900 кг и их не надо было выводить на замкнутую околоземную орбиту, а всего лишь "прокатить" до Индийского океана с испытанием механизма развертывания.

В предыдущем полете, для сравнения, в грузовом отсеке находились 10 макетов спутников Starlink v3. Но, поскольку космический "грузовик" в том полете сломался, для его повторного испытания число макетов уменьшили.

Почти 20 тонн груза в седьмом полете - это была достаточно большая дополнительная нагрузка на предельную облегченную конструкцию многоразовой ракеты, которая до этого летала вообще порожняком. Большегрузные автомобили снабжают мощной и тяжелой сварной рамой, но космолеты по своей силовой структуре больше походят на надувные аттракционы, испытывающие значительные механические колебания во время работы. Как заключили в компании SpaceX "гармонический отклик в полете, в несколько раз более сильный, чем наблюдался во время наземных испытаний", мог стать причиной разрушения топливопроводов Старшипа во время седьмого полета.

Напомним, что по своим целевым характеристикам Старшип 2 должен поднять на околоземную орбиту 100 тонн полезной нагрузки (ПН), после чего его собираются заменить вдвое более грузоподъемным Старшипом 3.

Испытательный полет Суперхэви / Старшип 6 марта 2025 года

6 марта 2025 года сверхтяжелая ракета Super Heavy B15 / Starship S34 была заправлена жидким метаном и жидким кислородом. Вечером в 17:39 по местному времени (GMT-6) она стартовала с космодрома Starbase в Техасе.

Все 33 ракетных двигателя (РД) первой ступени отработали штатно. Через 2 мин 40 секунд после старта прошло горячее разделение ступеней, Суперхэви развернулась и направилась к своей стартовой площадке на одиннадцати РД Раптор 2 из тринадцати для этого предусмотренных. Два двигателя второго кольца не включились. При заключительном торможении заработали двенадцать двигателей, кроме одного. Скорость была погашена и сверхтяжелая ракетная ступень вошла на трех центральных двигателях в захваты "Мехазиллы" (Mehazilla). Три удачных захвата Суперхэви в трех попытках - такой результат еще недавно казался невероятным!

По программе Rapid Reuse (быстрое повторное использование) сверхтяжелый ускоритель должен стартовать каждые несколько часов, разгоняя космолеты Старшип до скорости около 1.5 км/сек и отправляя их в полет до орбиты. Но это методику пока еще только предстоит осуществить, а пока для каждого полета ракетные ступени Суперхэви / Старшип производятся заново.

Пока мы наблюдали за успешным возвращением Суперхэви, космолет Старшип 2 боролся за выход на траекторию полета в Индийский океан. Поначалу все шло исправно, но на исходе седьмой минуты полета появились первые признаки прогара сопла одного из трех вакуумных РД Раптор 2. На отсчете 8 минут 4 секунды проблемный двигатель взорвался, повредив центральные Рапторы 2 - все три. Произошло это всего за 40 секунд до планового отключения двигательной установки, еще меньше времени оставалось до завершения работы вакуумных двигателей, которые отключаются раньше, чем центральные.

В результате произошедшей аварии в работе остались два вакуумных РД Раптор 2, жестко закрепленных на внешнем кольце без возможности управления вектором тяги - поэтому космолет ушел в закрутку на высоте 146 км и скорости 20 тыс. 332 км/c. Через некоторое время Старшип развалился на обломки, которые были видны над Флоридой и Багамскими островами. Так драматически, на последней минуте выведения, завершился восьмой испытательный полет Super Heavy / Starship.

Обломки космолета создали угрозу для воздушного движения в регионе, поэтому FAA (Federal Aviation Administration - Федеральное управление гражданской авиации) временно запретило полеты в близлежащих аэропортах. Причины двух космических аварий подряд, произошедших в регионе с интенсивным воздушным движением, будут расследованы.

Об эффективности системы аварийной защиты РД Раптор

Наблюдаемая причина аварии Starship S34 - взрыв РД внешнего кольца с повреждением трех центральных РД. Это серьезный отказ, который должен вовремя компенсироваться с помощью САЗ - системы аварийной защиты РД (но этого не произошло).

Как было объявлено по результатам расследования, исходная причина аварии - та же что и седьмом полете, гармонические колебания в разводке топливных магистралей для вакуумных двигателей Raptor, которые усиливаются при пустых баках. Из-за этих колебаний произошли утечки топлива, разрыв ТНА (турбонасосного агрегата) и сопла двигателя Raptor Vacuum, который был выброшен из двигательного отсека.

В Старшипе 2 топливная система была модернизирована для увеличенного объема баков, в ней появились три отдельных топливопроводы горючего для вакуумных двигателей. Срочные меры по исправлению конструктивной ошибки, предпринятые после седьмого полета, оказались недостаточными или даже усугубили ситуацию с колебаниями, сейчас потребуется более глубокая переработка топливной системы космолета.

После восьмого полета мы можем предварительно оценить вероятность аварии РД Раптор. Всего за семь полетов Super Heavy / Starship с второго по восьмой прошли 273 отработки Raptor 2 с одной аварией. При оценочной вероятности безотказной работы ВБР РД 0.99 это дает коэффициент охвата САЗ (отношение числа своевременных отключений РД к общему числу аварийных ситуаций) КоСАЗ = 0.63. Эта оценка соответствует картине, которую мы наблюдали в седьмом полете, где происходили АВД (аварийные выключения двигателей) без их взрыва, видимо, в результате работы САЗ. АВД пяти РД из шести привели к потере управляемости космолета. В восьмом полете РД взорвался раньше, чем был отключен.

Арифметика надежности Super Heavy / Starship

Почему авария РД произошла именно на этапе полета второй ступени Starship, хотя число РД на ней в 5.5 раз меньше, чем на первой ступени Super Heavy - 6 против 33? Это можно объяснить тем, что время работы второй ступени - примерно 360 секунд в 2.25 раза больше времени работы первой ступени - 160 секунд. Поэтому, несмотря на меньшее число ракетных двигателей, вероятность аварии РД на первой и второй ступени вполне сопоставима.

В восьмом полете проблема возникла в топливной системе и развилась в системе регенеративного охлаждения сопла вакуумных Рапторов, которые устанавливаются только на Старшипе, в то время как все остальные РД гигантской ракеты снабжаются менее габаритными земными соплами. Этот момент был пропущен в работе САЗ, которая должна была выключить авариный двигатель прежде, чем развитие процесса повредило соседние РД.

Понятно, что аварийное разрушение РД по различным причинам может произойти и на этапе работы первой ступени, и этом случае обе ступени будут потеряны. Вероятность неблагоприятного развития события на этапе выведения с потерей одной или обеих ступеней Суперхэви / Старшип может быть грубо оценена как:
1 - (272 / 273) ^ 39 = 0.133

Т.е. каждый 7-8 полет нынешнего Старшипа может сопровождаться потерей корабля на этапе выведения, что недопустимо для любой РН, тем более - для многоразового космолета c ресурсом до сотни полетов.

Полная многоразовость всех ступеней - это не только техническая фишка, но и экономическая необходимость Старшипа. Без нее, только с многоразовой первой ступени новая ракета становится сверхтяжелым подобием Фалкона-9 и вступает в конкуренцию с его многочисленными последователями:
Полет "Алой птицы" - первый рейс метановой ракеты-носителя со спутниками
New Glenn - многоразовая сверхтяжелая ракета для ближнего и дальнего космоса
Скоро на прибыльной полянке частично многоразовых ракет станет тесно - и в SpaceX делают ставку на полную многоразовость, чтобы быть впереди. Но полная многоразовость требует также и достижения полной надежности.

Понятно, что реальная эксплуатация Суперхэви / Старшип будет проходить с РД Раптор 3 следующего поколения, у которого будет своя, ожидаемо лучшая статистика. Но в условиях, когда безаварийность Старшипа надо поднимать не менее, чем на порядок, требуется проработка различных конструктивных решений, а не только упование на мощь и безотказность РД следующего поколения.

Как SpaceX будет поднимать надежность Старшипа?

Безаварийная работа РД, обеспечиваемая работой САЗ, исключительно важна для ракет с многодвигательной установкой. Существует несколько путей увеличения эффективности САЗ, и здесь мы обсудим один из них, который представляется нам наиболее вероятным в будущем.

При проектировании САЗ разработчики делают выбор между эффективностью ее работы, т.е. коэффициентом охвата КоСАЗ и вероятностью ложного отключения работоспособного РД. Обратим внимание на то, насколько часто первая ступень Суперхэви тормозит не всеми 13-ю РД повторного включения, а меньшим их числом - 11 или 12. Это происходит благодаря предусмотренной разработчиками избыточности числа РД. Соответственно, работа САЗ может быть настроена на отключение РД при малейших отклонения в рабочих процессах.

В случае Старшипа 2 ситуация выглядит несколько иначе. 52% его максимальной тяги создают три вакуумных РД внешнего кольца и 48% - три центральных РД. Отключение любого вакуумного РД приводит не только к потере 1/6 тяги, но и к перекосу тяги, который компенсируется отклонением вектора тяга центральных РД - при этом снижается интегральный УИ (удельный импульс) тяги и запас энергетика корабля. В зависимости от момента отключения РД, это приведет в невыходу на орбиту, потере ПН и самого корабля из-за недолета до базы. Поэтому возможности для эффективной настройки САЗ РД Старшипа 2 ограничены и устранение выявленных недостатков конструкции космолета может не привести к достижению желаемой безаварийности полетов.

Лучшие условия будут наблюдаться в следующей итерации корабля - Старшипе 3, который несет вдвое большее число вакуумных РД. При наличии шести вакуумных РД внешнего кольца можно отключить аварийный РД и симметризовать тягу путем отключения симметрично расположенного РД, как это было предусмотрено в советской лунной ракете H-1. А также улучшаются условия для стабилизации ступени разнотягом вакуумных РД, а не только отклонением центральных РД, которые тоже могут оказаться аварийными. Наконец, увеличение тяговооруженности ракетной ступени позволяет выбрать менее напряженный режим работы РД с уменьшением тяги по мере расходования топлива.

Если трак не вывозит и ломается, то ставим на него еще более мощный двигатель - любой американский дальнобойщик скажет, что это правильное решение!

Поэтому можно ожидать ускорения работ по Старшипу 3, возможно, появления его промежуточной версии с увеличенным числом РД и ограниченным запасом топлива. Космолет будет развиваться и модернизироваться, а его нынешняя версия Старшип 2 фактически является экспериментальной, предназначенной для отработки различных конструктивных решений - что мы и наблюдаем во всех происходящих его полетах.