Когда начнутся испытания Starship — и когда он полетит на Марс?

Еще в 2002 году, начиная путь в частной космонавтике, Илон Маск сформулировал главную цель компании SpaceX — колонизацию Марса. Похоже, сейчас эти планы начинают приобретать реальные очертания: в ближайшие месяцы должны начаться летные испытания Starship — корабля, предназначенного для межпланетных путешествий. Две версии корабля уже почти готовы, они получили «производственные названия» Starship Mk1 и Starship Mk2. Пока их будут испытывать в режиме «подскока» — то есть без выхода на орбиту вокруг Земли. Однако уже на следующий год запланирован и первый полноценный орбитальный полет. Точные даты всех этих испытаний неизвестны, но уже сейчас можно разобраться в том, что же такое межпланетный Starship.

28 сентября этого года, ровно в одинадцатую годовщину первого орбитального пуска частной ракеты-носителя Falcon 1, Илон Маск провел пресс-конференцию на испытательной площадке компании около техасской деревни Бока-Чика. Это была уже четвертая презентация проекта, который за время разработки сменил множество названий и, в некоторой степени, само свое содержание.

Важное отличие новой презентации от предыдущих заключалось в том, что она происходила прямо на фоне «виновника торжества»: если раньше Маск показывал ракеты и корабли, предназначенные для межпланетных путешествий, только на слайдах, то на этот раз освещенная прожекторами первая версия Starship (Starship Mk1) стояла прямо у него за спиной. Прямо рядом с ракетой Falcon 1, с которой для компании SpaceX начался путь в космос.

Проект с 2002 года сменил множество названий, однако цель — межпланетное путешествие — всегда оставалась на первом месте. В разное время Илон Маск планировал использовать для этого сверх-тяжелые носители Falcon XX и Big Falcon Rocket, входящие сначала в «Марсианскую колониальную транспортную систему» (Mars Colonial Transport), переименованную в 2016 году в «Межпланетную транспортную систему» или ITS. Сейчас проект Big Falcon Rocket превратился в пару из возвращаемой первой ступени Super Heavy, и, собственно, корабль Starship. Весь проект тоже (видимо, для ясности) называется Starship.

С момента первой презентации полноценного проекта (тогда еще под именем BFR) 27 сентября 2016 года на 67-м ежегодном Международном астронавтическом конгрессе в Гвадалахаре, концепция серьезно поменялась — она стала меньшей по масштабам, но намного более реалистичной.

Создание прототипа корабля-ракеты прямо под открытым небом заняло четыре месяца, а ее первый полет планируется в ноябре-декабре. Максимальная высота подъема Starship Mk1 во время «подскока» не превысит 20 километров — но этого вполне достаточно для отработки старта и приземления

Система Starship представляет собой двухступенчатую многоразовую ракету, предназначенную для полетов на небесные тела Солнечной системы. Вторая ступень Starship объединена с космическим аппаратом — дозаправляемым кораблем или заправочным танкером. А первая ступень Super Heavy способна вернуться на место старта.

Используя дозаправку на орбите, «Межпланетная транспортная система» сможет доставлять людей и грузы на Луну и к дальним планетам. Но главная задача состоит в том, чтобы забросить грузы и людей, необходимых для появления первой самодостаточной колонии на Марсе. Для этого системе Starship потребуется несколько стартов. Первая ракета выводит на орбиту корабль с людьми или грузами, последующие — танкеры с топливом. После стыковки основного и заправочного кораблей будет создаваться небольшая тяга двигателями для перекачки топлива между аппаратами без использования насосов. После заправки на орбите Starship сможет отправится в межпланетный полет. Ничего подобного в истории космонавтики пока еще не было.

Что в этом нового?

На последней пресс-конференции Илон Маск отметил, что система Super Heavy/Starship должна быть полностью многоразовой, с возможностью совершать до тысячи полетов в год. Десять ракет позволят за год доставить в космос миллион тонн грузов. За один пуск Super Heavy/Starship сможет доставлять на орбиту 150 тонн и возвращать на Землю 50 тонн грузов.

Много это или мало? Для сравнения, советская одноразовая ракета-носитель «Энергия» могла вывести на низкую орбиту 100 тонн, а самая мощная за всю историю ракета «Сатурн-5» (с помощью которой астронавты США летали на Луну) выводила на низкую околоземную орбиту до 147 тонн грузов.

Надо отметить, что система предназначена не только для межпланетных полетов, — в целом она должна будет заменить существующие ракеты компании SpaceX Falcon 9 и Falcon Heavy. Starship в грузовом варианте сможет выводить коммерческие и научные космические аппараты на орбиту, пополнять собственную группировку спутниковой связи компании Starlink, общая численность которой планируется на уровне 42 тысяч космических аппаратов на низких орбитах.

Еще одно возможное назначение Starship, о котором говорил Илон Маск — суборбитальные пассажирские перевозки между континентами, то есть своеобразная замена ушедшим сверхзвуковым самолетам «Конкорд». Ракета способна связать все материки Земли для доставки людей и их багажа за очень короткое время — не более 45 минут.

Как изменились технические характеристики ракеты и корабля?

Длина первой ступени Super Heavy — 68 метров, на ней будет установлено 37 или чуть меньше кислородно-метановых двигателей Raptor (в атмосферной версии), семь из них будут подвижными — это нужно для управления ориентацией ракеты.

Как и первая ступень Falcon 9, Super Heavy будет оборудована решетчатыми рулевыми крыльями. После выведения на орбиту второй ступени Starship, первая ступень будет возвращаться на стартовую площадку и мягко приземляться на 6 опор. Масса топлива для полной заправки Super Heavy составит 3300 тонн. Общая тяга ступени составит около 7500 тонн-силы (то есть такую максимальную массу она сможет оторвать от Земли).

Диаметр обеих ступеней немного уменьшился по сравнению с планами 2016 года: вместо 12 он теперь составляет 9 метров. Вторая ступень ракеты и одновременно космический корабль Starship в новой версии имеет длину 50 метров. Планируется, что сухая масса аппарата составит 120 тонн, хотя в первом прототипе она составляла около 200 тонн. Топливные баки ступени вмещают топлива в десять раз больше, чем весит сам корабль — 1200 тонн.

При возврате на Землю Starship будет использовать аэродинамическое торможение в атмосфере при помощи подвижных крыльев, а садиться вертикально на реактивных двигателях. Каждый корабль будет оборудован тремя атмосферными двигателями Raptor с контролем вектора тяги и тремя неподвижными двигателями.

Почему корабль стал стальным?

Основным конструкционным материалом и первой и второй ступени у Starship стал не углепластик, как было в предыдущих вариантах, а, неожиданно, — нержавеющая сталь AISI 301. О переходе на этот материал Илон Маск заявлял еще в декабре 2018 года в твиттере, но до сих пор подробностей об этом решении мы не знали.

Отказ от углепластика он объяснил тем, что тот сохраняет высокие характеристики лишь в узком диапазоне температур: углеродные волокна всегда остаются прочными, но вот полимерная матрица (то, что заполняет пространство между волокнами) при низких температурах становится очень хрупкой, а при нагреве свыше 150°С наоборот — размягчается и сильно «течет». Так что при выходе за пределы оптимального температурного режима композит теряет прочность.

У стали, напротив, хорошие прочностные свойства как при высоких, так и при низких температурах. Не говоря уже о том, что она почти в 50 раз дешевле углепластика. Одной сталью, конечно, будет не обойтись: поверх стального корпуса в местах сильного нагрева (который случается при посадке) будут использованы керамические плитки теплозащитного покрытия. Топливом для обеих ступеней остаются жидкий метан (горючее) и жидкий кислород (окислитель) в соотношении 1 к 3.

Что может пойти не так?

Конечно, Маск не первый, кто задумывался о полетах людей на Марс. Такие планы перед собой ставили и «отцы» советской и американской космических программ Сергей Королев и Вернер фон Браун в начале космической эры. Однако ни одно государство до сих пор так и не было готово оплачивать столь дорогостоящие проекты.

В 1990 году президент США Джордж Буш-старший провозгласил марсианскую инициативу. Специальная группа NASA определила стоимость сроки реализации проекта в 450 миллиардов долларов и в 20–30 лет. Даже Соединенные Штаты не смогли позволить себе такой космический бюджет. Как же собирается решить эту проблему частный бизнесмен?

Идея Илона Маска и его команды состоит в том, чтобы серьезно снизить цену на доставку людей и грузов на Марс за счет многоразовости транспортной системы, высокой частоты перевозок и активного использования местных ресурсов Красной планеты — в частности для производства топлива для возвращения кораблей Starship на Землю. Например, из воды, которую можно добыть на Марсе и из углекислого газа, сжижаемого из его атмосферы, можно производить метан и кислород — ту самую топливную пару, что используется двигателями Raptor.

Raptor is a full-flow, staged combustion rocket engine powered by cryogenic methane and liquid oxygen pic.twitter.com/7JCvK4Gm6b

— SpaceX (@SpaceX) September 29, 2019

Подобные идеи озвучивались задолго до появления компании SpaceX, но именно Маск дальше всех прошел по пути создания многоразовых ракетно-космических систем. По его словам, стоимость переселения одного человека на Марс в среднем не должна превышать стоимость его недвижимости и имущества на Земле, то есть нескольких сотен тысяч долларов. Даже если эта сумма за время воплощения проекта в жизнь не увеличится (что бывает редко) слабым местом плана по колонизации Марса остается количество людей, готовых в нем участвовать. для окупаемости межпланетной транспортной системы только в этом веке нужно будет переселить не меньше миллиона человек. Пока неизвестно, найдется ли столько желающих покинуть привычный мир ради будущего на другой планете, представляющей собой холодную каменистую пустыню.

И это не единственная проблема. Даже имея транспортную систему, компания SpaceX пока не готова ответить на другие вызовы столь масштабного проекта. Самым слабым звеном в космических полетах был и остается человек: до первого полета к Марсу необходимо решить еще множество проблем, связанным с профилактикой негативного воздействия факторов космического полета, таких как невесомость, радиация и ограниченность пространства. Критическим вопросом будет надежность систем жизнеобеспечения кораблей и напланетной станции, которая станет первым марсианским городом.

Возможно, здесь на помощь SpaceX может прийти агенство NASA, которое уже сейчас занято подготовкой полета человека на Марс. На Международной космической станции апробируются средства медицинской профилактики для длительных полетов и системы жизнеобеспечения. На орбите вокруг Марса находятся несколько аппаратов для составления подробных карт планеты и оценки ее климата (например, Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter, MAVEN). Они помогают изучить условия для посадки и определить интересные места для планирования пилотируемых экспедиций. И хотя по прогнозам NASA, первые люди высадятся на Марс между 2040 и 2050 годами, проводимые сейчас работы, возможно, могут приблизить этот срок.

Чего ожидать в ближайшем будущем?

25 июля компания SpaceX провела первый подскок на 20 метров технологического демонстратора (с одним двигателем Raptor) Starhopper, который журналисты назвали «водонапорная башня». 27 августа он поднялся уже на 200 метров. Демонстратор позволил отработать некоторые технические решения для подготовки полетов Starship Mk1 и последующих версий. За подготовкой следующего «подскока» следят журналисты и энтузиасты космонавтики. В сети регулярно появляются фотографии и видео с площадки SpaceX в Бока-Чика.

Пока до первого полета прототипа остается еще пару месяцев. Параллельно с подготовкой «подскока» Starship Mk1 SpaceX строит второй прототип Starship Mk2 на своей площадке во Флориде. Постройка Starship Mk3 начнется в ближайшее время в Бока-Чика. Каждая новая ракета дает специалистам SpaceX новый опыт, скорость работы повышается, что позволяет Маску быть оптимистичным в своих прогнозах.

Одновременно идут небольшие технические усовершенствования. Например, начиная с версии Starship Mk3 SpaceX будет использовать цилиндрические секции с одним сварным швом вместо секций, сваренных из прямоугольных листов, что позволит существенно снизить массу по сравнению с первыми версиями.

После сборки Starship Mk4 примерно через 4-5 месяцев, начнется строительство первой ступени Super Heavy. Маск считает, что сложнее всего будет сделать нужное количество двигателей Raptor к этому времени, однако в начале 2020 года SpaceX планирует производить один двигатель в сутки.

Первым в орбитальный полет сможет отправиться Mk3 или следующая версия. Маск надеется на то, что полет пройдет именно в 2020 году, но отметил, что на программу Super Heavy/Starship направлено менее 5% всех ресурсов SpaceX. Основные усилия компании уходят на ввод в эксплуатацию пилотируемого корабля Crew Dragon по контракту с NASA, пилотируемый тестовый полет которого на МКС сейчас запланирован на первый квартал 2020 года.

Откуда деньги?

Кроме собственных средств на разработку системы Super Heavy/Starship компания SpaceX тратит аванс японского миллиардера Юсаку Маэдзава, который подписал в 2018 году контракт на облет Луны на корабле Starship после 2023 года.

Свой полет Маэдзава назвал #dearMoon. Планируется, что в экипаж корабля кроме профессиональных астронавтов войдут по его приглашению шесть-восемь деятелей искусства. Корабль просто облетит Луну, не выходя на орбиту вокруг нее. Юсаку Маэдзава надеется, что эта миссия не только вдохновит творческих людей на создание новых произведений, посвященных космосу и Луне, но и поможет укреплению мира.

В случае успеха «спонсорского» полета, компания SpaceX может расчитывать на финансирование NASA для транспортного обеспечения государственной лунной программы «Артемида» (Artemis). К этому моменту уже должен состоятся первый беспилотный полет системы Starship к Марсу. Это позволит SpaceX на практике изучить «подводные камни» межпланетных путешествий.

Источник