История Starship: через водонапорные башни к звёздам

Однако столь амбициозные планы невозможно было реализовать с начальными инвестициями Маска, составлявшими около $100 млн, так что SpaceX начали свою работу с разработки довольно скромной ракеты-носителя «Falcon 1», способной выводить всего 420 кг на низкую околоземную орбиту. Снижение стоимости доступа в космос и появление у человечества возможности колонизации Марса заявлялись Илоном Маском в качестве цели существования SpaceX с момента основания фирмы в мае 2002 года.

Проект получил название «BFR», который в последствии стал официально расшифровывающийся как Big Falcon Rocket, а изначальное неофициальное название переводилось как «чертовски большая ракета». Однако уже в ноябре 2005 года, до запуска своей первой ракеты, когда вся фирма насчитывала лишь около 160 сотрудников, он объявил о планах создания для полётов на Марс сверхтяжёлой ракеты, способной доставлять на орбиту уже 100 тонн полезного груза. По своей тяге этот двигатель должен был уступать лишь РД-170, а на 2-й ступени должен был стоять кислород-водородный двигатель «Raptor». На 1-й её ступени должна была стоять увеличенная версия кислород-керосинового двигателя фирмы «Merlin 2», в котором абляционное охлаждение камеры сгорания собирались заменить на регенеративное (в первом случае для охлаждения камеры используется специальный материал на стенках камеры, который постепенно испаряется, а во втором случае для этого используется прокачка топлива или окислителя через множество тонких трубочек в стенках).

Тем не менее уже 30 июля 2010 года Том Маркусич (Tom Markusic) представил на презентации «AIAA Joint Propulsion» технические подробности проекта. Но первые 3 неудачных запуска Falcon 1 к концу 2008 года поставили фирму на грань разорения, так что стратегические планы пришлось на время отложить в пользу поиска средств для реализации текущих проектов.

Для них предусматривалась пара двигателей: первая ступень должна была приводиться в движение керосиновыми двигателями «Merlin 2» с тягой в 770 тонно-сил и импульсом в 285 секунд на уровне моря и 870 тонн и 321 секунды в вакууме, при давлении в камере сгорания в 138 атмосфер в обоих случаях. На тот момент ракета представляла из себя увеличенную Falcon 9, имеющую 3 версии: Falcon X/Falcon X Heavy с диаметром в 6 м и Falcon XX с диаметром в 10 м. Ракеты-носители должны были выводить на низкую околоземную орбиту 38, 125 и 140 тонн полезного груза соответственно. На вторую ступень предполагалось установить водород-кислородный двигатель «Raptor» с тягой 68 тонн и импульсом 470 секунд, при давлении в 117 атмосфер.

Сравнение размеров новой линейки ракет с Falcon 9 и Сатурн-5 (слева).

А так как одним из ключевых подходов в работе SpaceX Илон Маск объявлял отказ от дорогостоящих решений, то от этого варианта практически сразу решено было отказаться. Однако почти сразу оказалось, что сделать систему, имеющую 2 типа топлива, одним из которых к тому же является водород, дешёвой явно не получится. А чуть позже объявил об её загадочной аббревиатуре «MCT», которая оказалась аббревиатурой названия «Марсианский колониальный транспорт» (Mars Colonial Transport), который должен был перевозить на Марс по 100 человек за раз. В ноябре 2012 года Маск публично заявил, что на их новой ракете будут установлены метаново-кислородные двигатели.

Причиной этого он назвал то, что биржевых инвесторов не интересуют столь длительные в реализации проекты, что в итоге могло бы привести к конфликтам в руководстве фирмой. Во втором квартале 2013 года Маск заявил о том, что SpaceX не будет проводить IPO (размещение акций на бирже) до тех пор, пока не начнутся регулярные полёты MCT к Марсу.

А 19 февраля 2014 года на конференции в Санта-Барбаре (штат Калифорния) вице-президент SpaceX по двигателестроению Томас Мюллер объявил, что Raptor будет иметь схему с полной газификацией компонентов топлива. Также в это время было объявлено о том, что тяга «Раптора» будет увеличена до 300 тонн. Подобных двигателей на тот момент существовало лишь 2 в мире — советский 640-тонный РД-270 и американский 112-тонный IPD — испытания обоих по разным причинам так и не были завершены.

Испытания газогенератора «Раптора» начались в мае 2014 года, а к 21 апреля в Космическом центре имени Стенниса (штат Миссисипи) был закончен стенд для испытания всех подсистем двигателя. Благодаря тому, что разработки по IPD шли под эгидой NASA, и тем самым принадлежали всем гражданам США сразу, SpaceX воспользовались ими, а также получили доступ к оборудованию и даже переманили часть работавших над ним специалистов, так как этот проект не имел продолжения. Вскоре после этого там начались испытания уменьшенной версии двигателя, обладающего тягой около 100 тонн.

Имея 12 метров в диаметре и 122 метра в высоту, эта 2-х ступенчатая ракета-носитель «ITS» (расшифровывающаяся как «Межпланетный транспортная система») должна была иметь общую массу в 10,5 тыс. 28 сентября 2016 года на Международном конгрессе астронавтики Илон Маск впервые лично представил проект марсианского транспорта, который должен был обладать поистине безумными характеристиками. тонн и выводить на орбиту 300 и 550 тонн грузов в многоразовом/одноразовом вариантах. тонн, развивать тягу двигателей в 13 тыс. По этим показателям ITS должен был превосходить как минимум в 3,5 раза все предыдущие ракеты-носители, которые когда-либо были созданы.

Давление в камере сгорания двигателя также должно было превосходить все существовавшие на тот момент аналоги, достигая 300 атмосфер. Двигатель Raptor на тот момент должен был развивать 310 тонн-силл тяги при импульсе в 334 сек в атмосферной версии, а в вакуумной — 357 тонн-сил и 382 сек импульса.

Корабль и танкер должны были иметь сухую массу по 150/90 тонн, полезную нагрузку в 300/380 тонн и общую массу в 1950/2500 тонн соответственно. Первая ступень должна была иметь сухую массу всего лишь 275 тонн, при общей массе ступени в 6975 тонн, и иметь 42 атмосферных Раптора. При этом планировалось добиться стоимости запуска всего в $43 млн для корабля и $8 млн для танкера, что с учётом отправки на корабле по 100 пассажиров за раз, давало стоимость билета всего в $140 тыс. На них должно было устанавливаться по 3 атмосферных и 6 вакуумных версий двигателя, а их длина составляла бы 49,5 метров. на человека.

Для сравнения у советско-российской ракеты «Зенит-3МС» этот показатель составляет лишь 0,079 для 1-й ступени и 0,094 для 2-й, а у ракеты-носителя Falcon 9 Block 5 эти значения составляют соответственно 0,065 и 0,04. Для того чтобы понять, сколь безумные показатели закладывались в эту систему, достаточно взглянуть на её массовое совершенство (отношение массы пустых ракетных ступеней к полной массе заправленных): так у первой ступени оно должно было составлять 0,039, а у танкера — и вовсе 0,036. Добиться всего этого SpaceX планировала за счёт повсеместного использования углепластика в качестве конструкционного материала.

На очередном Международном конгрессе астронавтики 29 сентября 2017 года Илон Маск снова представил проект, который претерпел серьёзные изменения в сторону уменьшения. Совсем не удивительным в такой ситуации является то, что проект столкнулся с серьёзными техническими проблемами. Размеры системы также уменьшились: диаметр стал составлять 9 метров, а общая высота — 106 метров. Общую массу системы сократили до 4400 тонн, при 5400 тонно-сил тяги и 31 двигателе на 1-й ступени. Характеристики Рапторов также сократились: до давления в 250 атмосфер, 173 тонн-сил тяги при импульсе в 330/356 сек в атмосфере/вакууме у атмосферной версии, и 194 тонн-сил тяги при импульсе в 375 сек для вакуумной версии. На корабле осталось 3 атмосферных и 4 вакуумных двигателя, при общей массе конструкции в 1335 тонн и длине 48 метров.

При этом давление в камере сгорания удалось поднять до 200 атмосфер. Однако были и хорошие новости: к этому моменту уменьшенная версия Раптора на ≈100 тонно-сил тяги прошла уже 42 испытания, общей продолжительностью более 20 минут.

Пожалуй главными изменениями, о которых сообщил Маск в этой презентации 17 сентября 2018 года, стало увеличение длины корабля до 55 метров и установка на нём 7-ми двигателей Raptor только атмосферной версии. В 2018 году презентация изменений в системе была совмещена с представлением первого пассажира корабля — миллиардера Юсаку Маэдзавы — так что техническая часть получилось довольно скудной. Причиной таких изменений стало желание быстрее перейти к коммерческой эксплуатации системы.

В октябре 2018 года Маск принял решение о переходе в качестве конструкционного материала многоразовой системы на сталь, что в последствии назвал лучшим конструкторским решением по этой системе, так как сталь стоит всего 2% от стоимости углеволокна ($3 против почти $200 за 1 кг), а также имеет большую прочность при криогенных и высоких температурах.

Этим аппаратом оказался Starhopper – 39-метровая уменьшенная версия корабля Starship, предназначенная для первых лётных испытаний двигателя, технологий изготовления криогенных баков и их заправки. В начале декабря 2018 года на частном космодроме SpaceX в Бока-Чика (штат Техас) началась сборка необычного аппарата, который окончательно принял свою форму к 10 января.

Работы внутри и на поверхности Starhopper продолжались ещё в течении нескольких месяцев, и для удобства доступа внутрь его носовую часть некрепко закрепляли, из-за чего 23 января штормовой ветер со скоростью в 80 км/ч сорвал и повредил обтекатель. Для проведения испытаний Starhopper в Бока-Чика были установлены баки объёмом в 432 м3 для жидкого кислорода и 364 м3 для жидкого метана, которые заблаговременно заправлялись грузовиками-газовозами. Его решили не восстанавливать, а накрыть Starhopper полусферической крышкой.

Однако уже утром 3 февраля снова появились хорошие новости о проекте: на тестовом полигоне в МакГрегоре (штат Техас) начались первые испытания полноразмерного Раптора, которые сразу стали идти в очень агрессивном темпе.

10 февраля удалось достичь давления в 268,9 атмосфер, что соответствовало примерно 180 тонн тяги. Уже к 7 февраля Raptor развил 172 тонн тяги при давлении в камере сгорания в 257 атмосфер на «тёплом» топливе, что было выше необходимого порога в 170 тонно-сил для применения его на ракете-носителе и корабле. А к 21 февраля двигатель №1 был запланированно повреждён в испытании на развитие максимально возможного давления.

Перевозка Starhopper к месту старта 8 марта 2019 года в Бока-Чика, штат Техас.

3 апреля Starhopper выполнил первый прожиг с двигателем №2, чему последовал небольшой подскок на «привязи» 5 апреля, на высоту около 1 метра.

Команды строившие прототипы применяли различные методы постройки, соревнуясь тем самым между собой, ради чего им дали названия: Mk1 в Бока-Чика строила «красная» команда, а строившая Mk2 в Коко команда стала «синей». В мае произошла закладка корабля Starship Mk1 в Бока-Чика, а в тоже время в местечке Коко (штат Флорида) началась параллельная закладка Starship Mk2! Но чтобы закончить постройку Mk1 ко времени презентации, часть их команды временно перебросили в Бока-Чику. Это принесло свои плоды, так как синей команде из Кокоа с самого начала удавалось продвигаться в строительстве заметно быстрее, хотя начинали строительство они немного позже.

В тоже время продолжались и испытания Starhopper: 22 июля он совершил полноценный полёт длительностью 22 секунды и высотой в 18 метров.

Однако испытания двигателя шли не совсем гладко: в борьбе с техническими проблемами были потеряны двигатели №3 и 4, а у №5 из-за недостатков конструкции произошло смещение статора кислородной турбины, из-за чего его решили также разобрать на запчасти.

И хотя у него сохранялась опасность повреждений при тяге около 40%, это тем не менее не мешало проведению длительных испытаний Starhopper, так как при этом тяга не должна была опускаться ниже 50%. Всё это вместе с проблемами опасных вибраций на частоте 600 Гц удалось победить на образце Раптора №6.

После этого его решено было использовать только для испытательных прожигов двигателей. 27 августа состоялся финальный полёт Starhopper с двигателем №6 на высоту в 150 метров, длившийся около 57 секунд.

Тут стоит отметить, что такое большое расходование двигателей в процессе испытаний является вполне обычным делом: так на испытаниях РД-270 их было использовано 22 штуки, при том что для полного завершения испытаний их требовалось целых 200 штук.

Также в июне стало известно, что успехи в ходе испытаний Starship убедили 3 телекоммуникационные компании выбрать этот носитель в качестве средства доставки своих спутников на орбиту в 2021 году. Тем не менее проблемы с дросселированием двигателя привели 28 июня Илона Маска к идее создания упрощённой версии двигателя на постоянную тягу в 250 тонн.

Масса корабля должна будет достигать 1400 тонн, а общая масса системы — целых 5000 тонн. По текущим данным, прототип корабля Starship Mk1 весит ≈200 тонн при высоте в 50 метров, но к 4-му или 5-му кораблю массу планируется снизить до 120 тонн.

А по словам Маска, Starship может впервые выйти на орбиту уже в 2020 году, что предполагает сборку к этому моменту ещё и 1-й ступени — Super Heavy. На данный момент SpaceX уже подало заявку в FAA на испытательный полёт Starship Mk1, который по словам директора SpaceX по контрактам в сфере национальной безопасности Гари Генри, должно состояться примерно через 2 месяца.

Raptor

Его камера сгорания и сопло имеют рубашку охлаждения из фрезерованных медных каналов, нагрузки от которой передаются на кожух из инконеля. За последнее время Маск также сообщил некоторые подробности об устройстве двигателя. Также примечательно, что мощность турбин в одном «Рапторе» составляет целых 74 мегаватт. А для эффективного смешения компонентов топлива используется множество соосных центробежных форсунок.

По его оценкам серийное производство позволит снизить их стоимость более чем в 10 раз. Маск также сообщил, что к концу года планируется выйти на скорость производства в 500 Рапторов в год. Также согласно экологическому анализу стали известны характеристики сопла Раптора:
В будущих версиях планируется достигнуть массы Раптора в 1,5 тонны при тяговооружённости больше 170.

Сравнительная таблица характеристик всех версий Starship (здесь есть увеличенная версия):