Начать рассказ о проекте Starship стоит с тех идей, которые были заложены в его концепцию изначально. Обсуждать конкретные технические детали в случае детища Илона Маска затруднительно, что диктуется специфическим подходом к созданию Starship. За девять лет, прошедших с момента первого заявления о начале разработки сверхтяжелой ракеты, SpaceX уже несколько раз радикально меняла ее облик. Причем часто сведения следующей, новой презентации в корне противоречили данным из предыдущей. Добиться чего-либо вразумительного в качестве поясняющего комментария от SpaceX или лично от Илона Маска было практически невозможно, так как программа Starship разрабатывалась и осуществлялась на собственные средства SpaceX – в отличие от достаточно полно документированных и описанных совместных программ с NASA или Пентагоном.
Кроме того, сам процесс создания Starship выглядел пугающе для старых профессионалов космической отрасли (причем как в России, так и в самих США). Складывалось впечатление, что инженеры SpaceX имеют перед глазами лишь некий эскизный проект желаемого изделия, а вот все остальное им приходится додумывать на ходу, собирая корабль из наиболее подходящих по смыслу и доступных им в реальности компонентов.
После начала реализации проекта Starhopper, который стал первым демонстрационным и испытательным стендом программы, Starship даже начали сравнивать с популярной компьютерной игрушкой Kerbal Space Program. В ней игроку предлагается собирать свои ракеты в стиле конструктора LEGO, проходя болезненный путь проб и ошибок и попутно отправляя в мир иной маленьких человечков-кербонавтов, чьей участью стало испытание неудачных изделий на пути к реально полетевшей ракете.
Впрочем, вернемся к идеям. Что же хочет запустить на орбиту Илон Маск? В ракетной технике, как и во многих других отраслях, действует так называемый закон куба. В наглядном представлении он формулируется так: при росте линейных размеров в два раза усредненные затраты материалов на конструкцию растут в четыре раза (квадрат линейного роста), а вот полезный объем изделия – уже в восемь раз (куб линейного роста).
Отсюда следует и простой факт: более тяжелая ракета не просто выводит на орбиту больше груза – она делает это с лучшей весовой эффективностью. Ведь получается, что куб растет гораздо быстрее квадрата – и, например, вес баков горючего и окислителя становится пропорционально меньше веса закачанных в них компонентов химического топлива. А это, в свою очередь, позволяет перенести «освободившийся» вес в полезную нагрузку.
Отсюда и проистекает желание Илона Маска сделать ракету, мощную и тяжелую как никогда. Достаточно упомянуть, что в рамках последней «редакции» проекта было объявлено: стартовый вес Starship должен составить около 5000 тонн, что практически вдвое больше самой большой «классической» лунной американской ракеты «Сатурн-5». По предварительным расчетам, это позволит вывести на орбиту около 150 тонн полезной нагрузки. И это без учета самой второй ступени ракеты, которая мыслится Илоном Маском не просто пилотируемой и орбитальной – но и многоразовой, с возможностью возвращения на Землю и повторного использования.
В общем, в смелой идее Starship должен стать чуть ли не магическим шампунем «все в одном», который должен сделать космические ракеты и полеты на них похожими на современную гражданскую авиацию – дешевую, доступную и многоразовую. На бумаге выглядит гладко и красиво, а как насчет оврагов?
Как научить летать водонапорную башню
Нельзя сказать, что идея о «ракетном молотке побольше» пришла только сейчас в светлую голову Илона Маска. Концепция big dumb booster (BDB, в переводе с английского – «большой глупый (тупой) носитель») была известна еще с начала 1960-х годов.
В 1973 году корпорация Boeing просчитала амбициозный проект Boeing Space Freighter, стартовая масса которого должна была составлять циклопические 11 000 тонн (вдвое больше, чем запланировано сегодня у Маска со Starship). Разработка Boeing даже визуально напоминает нынешние картинки с презентации Маска, за тем небольшим исключением, что первая ступень Space Freighter тоже напоминала самолет и должна была садиться на обычный аэродром, «по-самолетному». Под стать размеру была и нагрузка на низкую околоземную орбиту – без малого 420 тонн, вместе со второй ступенью-космопланом.
Вторым идейным предком Starship можно назвать другой проект Boeing, презентованный чуть позже, в 1976 году, и названый Boeing LEO.
Для него выбрали классическую ракетную схему. Громадный стартовый вес этого монстра, составлявший около 10 000 тонн, позволял ему достичь орбиты без многоступенчатости, используя всю ракету для посадки после вывода на орбиту полезной нагрузки. Садиться Boeing LEO должен был «по-ракетному», как это делают сегодня первые ступени ракеты Falcon. Впрочем, никакие посадочные опоры в таком случае не выдержали бы – Boeing LEO предлагали сажать в громадное искусственное озеро. Да и своя цена у схемы с одной ступенью тоже была – на орбиту LEO выводил лишь около 200 тонн, вдвое меньше, чем сравнимый с ним по размерам Space Freighter.
С чем же столкнулись в те годы инженеры Boeing – и почему эти ракеты-монстры так и остались лишь в эскизных проектах? Ведь с точки зрения экономики там все было на уровне – тот же LEO, по расчетам, должен был обеспечить себестоимость доставки груза на околоземную орбиту в районе... 45 долларов за килограмм! Для сравнения, запуск полезной нагрузки на ракете Falcon 9, созданной той же SpaceX, обходится примерно в 2700 долларов за килограмм: 22,8 тонны груза на ней на низкую околоземную орбиту можно запустить за 62 миллиона долларов.
Основной проблемой в этих проектах стали материалы. Ракета во время своего полета пребывает в очень разных физических условиях: отдельные ее части будут сильно нагреваться, другие – столь же сильно охлаждаться от соприкосновения с криогенными компонентами топлива. Вся конструкция ракеты будет испытывать перегрузки, продольные и поперечные усилия, возникающие на старте и при снижении, а работа главных двигателей еще и будет добавлять разрушительной вибрации на моменте старта, которая к тому же тоже растет по кубу от линейного размера ракеты.
С вибрациями, кстати, столкнулись еще при достижении ракетами стартовой массы в 3000 тонн. В советской лунной ракете Н-1 вибрации несколько раз приводили к отказам отдельных двигателей. В последнем запуске «Сатурна-5», который вывел на околоземную орбиту станцию «Скайлэб», вибрация просто оторвала одну из солнечных панелей, после чего станция даже какое-то время считалась потерянной, а потом не смогла отработать положенный ей ресурс.
В силу вышесказанного рано или поздно какие-то материалы в конструкции ракеты-носителя начинают «отказывать»: перегреваться, терять прочность или другие физические свойства. Ведь с ними никакого «кубического чуда» не происходит: свойства и возможности одинакового конструкционного материала бака на ракете массой в 500 тонн или в 5000 тонн эквивалентны и идентичны.
С проблемой материалов уже столкнулся и сам Илон Маск. Первоначальный проект Starship подразумевал использование прочного и жаростойкого углеродного волокна. Однако попытка сделать из него корпус Starship столкнулась с неожиданной проблемой, которую описал сам Маск. Один килограмм углеродного волокна стоит около 135 долларов США. При создании корпуса ракеты весь объем первоначального материала не получается использовать в силу специфических свойств углеродного волокна, поэтому
около 35% уходит в брак, а килограмм готового бака стоит уже 200 долларов США. В таком варианте Starship получился бы просто «золотым».
Когда этот факт осознали, в SpaceX пошли на компромисс, начав использовать в конструкции обычную листовую сталь, которая обходится всего в три доллара за килограмм. Но это, в свою очередь, породило другую проблему – «нержавейка» просто не выдерживает нагрева при торможении Starship во время его схода с орбиты.
Пока что перегрева нержавеющей стали будут пытаться избежать за счет стравливания остатков криогенного топлива. Криогенное топливо будет подаваться между двумя слоями нержавеющей обшивки и парить наружу – через множество микроотверстий во внешней оболочке. Таким образом вокруг Starship планируют организовать абляционный эффект, который на обычных одноразовых спускаемых капсулах организуется за счет выгорания специальной абляционной «обмазки». Насколько такая система будет рабочей – вопрос открытый, натурных испытаний такой схемы охлаждения никто не проводил. В общем, Kerbal Space Program, только не на экранах компьютеров, а в реальности – с нержавейкой, метаном и жидким кислородом. Правда, к счастью, вроде бы без кербонавтов-масконавтов.
А теперь о хорошем
Во-первых, стоит сказать, что создать многоразовую систему со стартовым весом в две–три тысячи тонн компании SpaceX вполне под силу. Такие ракеты-носители уже неоднократно стартовали с Земли в прошлом, и их сильные и слабые стороны вполне известны. В этом размере были созданы американская ракета «Сатурн-5» и многоразовая система «Спейс Шаттл», в СССР подобную стартовую массу имела ракета-носитель «Энергия» и «почти полетевшая» лунная ракета Н-1.
Кстати, такого рода «дорога к реальности» прослеживается и в эскизных проектах Илона Маска, опубликованных по состоянию «на сейчас». Первый проект – предшественник Starship, носивший название ITS и презентованный в 2010 году, имел стартовую массу в 10 500 тонн, находясь аккурат в «опасной зоне», где надежда на создание адекватных материалов и рабочей конструкции выглядит особенно призрачно. Теперь же Starship ужался до стартовой массы в 5000 тонн, что уже гораздо ближе как к прошлым, успешно летавшим ракетам, так и к возможностям и перспективам совершенствования ракетной техники, с учетом испытанных, а не «желаемых» технологий.
Во-вторых, в активе у Маска и его компании есть немало важных «деталек», которые значительно облегчают реализацию основной идеи – запуска ракеты, превосходящей по весовому совершенству все разработанные. В частности, уже на Starhopper были поставлены три метаново-кислородных двигателя Raptor, которые, по утверждению Маска, будут способны обеспечить удельный импульс в 330 секунд на уровне моря и около 380 секунд в вакууме. Для сравнения, лучшие на сегодня российские двигатели РД-180, работающие на керосине и кислороде, имеют удельные импульсы в 311 и 337 секунд соответственно. Таким образом, Raptor по этому параметру оказывается где-то на 6–12% эффективнее лучших российских разработок.
«Терра инкогнита» в случае Starship, впрочем, пока что выглядит гораздо обширнее. Пока что в орбитальном полете нового детища Илона Маска гораздо больше неизвестных или «темных пятен», которые могут сделать эти шаги если не невозможными, то уж точно сопряженными с массой доработок, испытаний, неудач и утомительным поиском нужных решений. Если, конечно, такие решения будут найдены и возможны в принципе.