Ракеты Starship взрываются одна за другой, но Илон Маск продолжает их строить. Зачем? Неужели они когда-нибудь долетят до Луны? И если не они, то кто?
Прототип космического корабля Starship, разработанного компанией SpaceX Илона Маска для полетов на Марс и Луну, впервые приземлился в ходе летных испытаний 3 марта (в ночь на 4 марта по Москве). Как только стихли аплодисменты — это было первое удачное приземление, — аппарат взорвался. Вопросов к Маску стало только больше: зачем продолжать испытания, которые всякий раз заканчиваются взрывом на земле или сгоранием в воздухе? Между тем уже в ближайшие дни должен пройти пуск очередного прототипа Starship, а на 18 марта намечен важнейший тест его главного конкурента — сверхтяжелой ракеты Space Launch System компании «Боинг». После нескольких десятилетий, когда сверхтяжелые ракеты не разрабатывались, потому что для них не было подходящих задач, они вновь востребованы — началась новая лунная гонка, и, похоже, главным конкурентом США стал Китай. По просьбе «Медузы» популяризатор космонавтики Александр Хохлов рассказывает об этой гонке — почти не упоминая Россию, намерение которой включиться в освоение Луны заслуживает отдельного обзора.
Что такое сверхтяжелые ракеты и зачем они нужны
Разделение ракет на классы сверхлегких (до 500 килограмм полезной нагрузки на низкой околоземной орбите), легких (до 5 тонн), средних (5–20 тонн), тяжелых (20–100 тонн) и сверхтяжелых (свыше 100 тонн) ракет-носителей условно, а конкретные границы между классами зависят от традиций конкретной страны. Для выведения тяжелых геостационарных спутников, модулей орбитальных пилотируемых станций и отправки небольших автоматических межпланетных станций к Луне и другим планетам хватает мощности ракет-носителей тяжелого класса. Но если амбиции страны претендуют на отправку крупных объектов к Луне и в дальний космос, то здесь уже не обойтись без мощных сверхтяжелых ракет.
Полет в космос Юрия Гагарина 12 апреля 1961 года потребовал от Соединенных Штатов Америки амбициозного ответа, озвученного президентом Джоном Кеннеди в речи 12 сентября 1962 года, — американцы решили высадить астронавтов на поверхность Луны. Реакция Москвы последовала в 1964 году, когда СССР утвердил свою пилотируемую лунную программу.
Для достижения поставленной цели обеим странам необходимо было создать сверхтяжелые ракеты-носители, способные доставить к Луне пилотируемый корабль с людьми и посадочный лунный модуль. В США была создана самая мощная в истории ракета «Сатурн-5». Работами руководил Вернер фон Браун. В СССР под руководством сначала Сергея Королева, а потом Василия Мишина тоже была создана сверхтяжелая ракета Н1. Но все ее пуски закончились авариями, и программа была закрыта. После того, как американцы достигли Луны и завершили программу, задачи для очень мощных ракет на какое-то время закончились.
В конце XX века была предпринята новая попытка использовать мощный космический транспорт. В 1980-е годы в США создали сверхтяжелый многоразовый комплекс Space Shuttle — но полезная нагрузка в грузовом отсеке челнока соответствовала лишь уровню тяжелой ракеты. Эта транспортная система проработала до 2011 года и была закрыта из-за недостаточной надежности и очень высокой цены эксплуатации. В СССР к концу 80-х разработали сверхтяжелую ракету-носитель «Энергия», одной из задач которой было выведение на орбиту корабля «Буран», но программа была остановлена из-за экономических проблем в стране и отсутствия полезной нагрузки для столь мощной ракеты.
Сейчас у США есть утвержденный план по полетам к Луне, который требует использования сверхтяжелых ракет: это возвращение на Луну людей в рамках программы «Артемида» и строительство на окололунной орбите международной посещаемой станции Gateway.
Вторая страна, которая серьезно планирует принятие программы пилотируемых полетов на Луну, — Китай. Разработки ракет сверхтяжелого класса идут и в России, но их история настолько запутанна, что рассказ о них требует отдельного разговора.
Что удалось Илону Маску
28 сентября 2019 года на испытательном космодроме около техасской деревни Бока-Чика Илон Маск провел пресс-конференцию, открывшую новый этап деятельности компании SpaceX. На ней он представил первый прототип Starship — сверхтяжелого корабля, предназначенного, в отличие от серии Falcon, прежде всего не для коммерческих запусков, а для самых амбициозных задач компании — участия в новой лунной программе США. А дальше — для колонизации Марса, о которой глава SpaceX так долго мечтает.
За прошедшие 17 месяцев компания уже прошла значительную дистанцию. SpaceX не только начала непрерывные работы по сборке и натурным испытаниям прототипов второй ступени Starship, но и стала развертывать самую крупную в истории группировку телекоммуникационных спутников Starlink. По словам Илона Маска, этот проект в конечном счете тоже связан с марсианскими амбициями компании, так как должен помочь получить часть финансирования на будущую колонизацию планеты.
Подробно про технические особенности Starship «Медуза» уже писала по итогам первой презентации прототипа в Бока-Чика.
Это ракета, состоящая из двух частей: первой многоразовой ступени Super Heavy и второй многоразовой ступени и одновременно космического корабля Starship (этим словом называется и отдельная вторая ступень, и вся ракета в сборе). Планируется, что за один запуск ракета сможет доставлять на орбиту 150 тонн полезного груза и возвращать на Землю не менее трети этой массы. Общая длина ракеты в сборе составляет 120 метров при диаметре 9 метров, а летать Starship будет с помощью кислородно-метановых ракетных двигателей Raptor.
Ракета, конечно, предназначена для многоразового использования. После выведения на орбиту второй ступени первая будет сразу же возвращаться на стартовую площадку и мягко приземляться на шесть выдвижных опор, тормозя своими ракетными двигателями. Вторая ступень после выполнения своей цели в космосе также будет возвращаться на Землю — для этого она сможет использовать и аэродинамическое торможение в атмосфере (за счет своего корпуса и подвижных рулей-крыльев) и собственные ракетные двигатели.
Starship — это не только сама ракета
Важно отметить, что программа Starship не исчерпывается самой ракетой. Сверхтяжелой ракете, как известно, нужен и собственный стартовый комплекс, и посадочные площадки (ракета ведь многоразовая), и центр управления, сборочные ангары, а также многочисленная другая инфраструктура. Для всего этого Илон Маск запланировал расширение своего основного космодрома в Бока-Чика и даже строительство в непосредственной близости от него нового мини-города — все вместе это будет называться Starbase. По задумке главы SpaceX, жилое строительство в Бока-Чика в дополнение к инженерному позволит не только нарастить штат компании, но и создать инфраструктуру для нарождающегося туризма: c каждым пуском все больше американцев приезжает посмотреть на испытания SpaceX.
В дополнение к масштабным работам вокруг Бока-Чика SpaceX также выкупила две глубоководные нефтедобывающие платформы, которые планируется переделать в плавучие стартовые площадки для ракет Starship. Они получили названия Деймос и Фобос — в честь марсианских спутников. Сейчас платформы базируются в порту Браунсвилла, недалеко от космодрома, а в дальнейшем к первым двум могут присоединиться и новые плавучие стартовые столы.
Ранее у компании была вторая сборочная площадка для прототипов Starship в городе Коко в округе Бревэрд штата Флорида, недалеко от мыса Канаверал. Там используются стартовые сооружения для ракет-носителей Falcon 9 и FalconHeavy. Однако в 2019 году все производство было интегрировано и перенесено компанией в Техас.
Сейчас на испытательном космодроме под открытым небом и в ангарах почти непрерывно собирают прототипы вторых ступеней Starship, а также первых ступеней Super Heavy. Летные демонстраторы второй ступени получают обозначение SN (Serial Number) с порядковым номером изделия, а первой ступени — BN (BoosterNumber), тоже с порядковым номером. После сборки прототипы почти сразу вывозятся на испытания, которых за последние месяцы было уже несколько.
Как проходили испытания
Старт испытаний Starship можно отсчитывать от первых успешных полетов самого первого демонстратора с единственным двигателем Starhopper: 5 апреля 2019 года он подпрыгнул на один метр, затем совершил еще два прыжка на 20 и 150 метров и теперь украшает полигон, составляя фон для испытаний новых прототипов ракеты.
Их судьба оказалась более трудной. Следующие прототипы Starship — Mk1 (тот самый, на фоне которого Илон Маск вел свою историческую пресс-конференцию 28 сентября 2019 года), SN1 и SN3 взорвались при испытаниях баков на давление.
Каждая такая авария приводила к изменению конструкции ракеты и стартовых сооружений. Уже в августе и сентябре 2020 года летные демонстраторы SN5 и SN6 совершили первые успешные подъемы на одном двигателе на 150 метров и мягко приземлились без нештатных ситуаций. Выглядели эти демонстраторы весьма необычно — это были огромные стальные бочки без носовых обтекателей, больше похожие на летающие водокачки, чем на ракеты. Необычность внешнего вида, впрочем, объясняется весьма прозаично: первые прыжки не требовали от прототипов никакой аэродинамической подготовки, их единственной задачей было получение первых данных о работе двигателей.
После того, как эти данные были получены, специалисты SpaceX перешли к испытаниям более продвинутых прототипов, оснащенных уже и носовыми обтекателями, и тремя двигателями Raptor, и управляемыми аэродинамическими рулями-крыльями. Здесь уже задача состояла в том, чтобы во время подъемов испытать маневры в атмосфере — а именно спуск и развороты.
Пройдя криогенные испытания по заправке баков и огневые испытания двигателей, 9 декабря 2020 года SN8 поднялся на высоту 12,5 километра и выполнил спуск в горизонтальном положении, управляя движением с помощью аэродинамических рулей. По ходу испытаний планово включились два двигателя, и ракета, приняв вертикальное положение у земли, пошла на посадку. В этот момент двигатели не вышли на нужную тягу и SN8 рухнул на посадочную площадку.
На самом деле, несмотря на красочный взрыв, в целом испытания оказались успешными: кроме мягкого приземления инженерам удалось выполнить все остальные задачи тестового запуска.
2 февраля 2021 года стартовал следующий летный демонстратор, SN9. Он штатно выполнил подъем на высоту 10 километров и спустился с нее, но при самом заходе на посадку у него не включился один из необходимых двух двигателей. В результате прототип вновь врезался в землю с мощным взрывом.
Взрывы замедляют программу — и связано это с бюрократическими проволочками
Те, кто внимательно следит за полетами прототипов SN8, SN9 и SN10, могли заметить, что изначально Илон Маск планировал сделать промежутки между полетами существенно короче, чем удалось реализовать на практике. Это связано не только с неудачными результатами предварительных тестов, но и с решениями Федерального агентства гражданской авиации (FAA), которое в США регулирует коммерческие (негосударственные) космические программы. Вообще агентство известно тем, что выдает разрешения как на космические запуски, так и на возвращение из космоса на Землю, но, кроме того, оно же проводит и расследования летных происшествий, в том числе взрывов прототипов SN. Загвоздка в том, что до завершения таких расследований разрешение на следующий пуск не выдается. Существующие правила требуют строгого соблюдения этой процедуры, при этом совершенно не важно, идет ли речь о по-настоящему важных орбитальных полетах Falcon 9 или о простых тестовых подскоках демонстраторов Starship.
3 марта 2021 года на 10 километров взлетел SN10. На этот раз программа испытания была выполнена полностью. Прототип впервые мягко приземлился на опоры на посадочную площадку. В этот раз при переходе в вертикальное положение для посадки включились и затем планово отключились все три двигателя. Однако тяга последнего работающего двигателя при посадке по неизвестным причинам была ниже планируемой, а две посадочные опоры неправильно раскрылись. В результате нагрузка на оставшиеся опоры во время посадки оказалась намного больше допустимой, они деформировались, и SN10 остался на посадочной площадке в наклоненном положении. На площадке была включена система пожаротушения, но она не справилась с пожаром в двигательном отсеке, и примерно через восемь минут и этот прототип взорвался на глазах у болельщиков и специалистов.
Все эти взрывы значат, что программа провалилась?
Несмотря на взрывы, преследующие испытания демонстраторов, и проволочки, связанные с их расследованием, нужно иметь в виду, что большинство пусков основную часть поставленных перед ними задач выполнили, в том числе и последние три. А именно SpaceX были получены реальные экспериментальные данные о том, как аэродинамические рули управляют тангажем, рысканием и креном во время спуска ракеты.
Кроме того, на прототипах параллельно отрабатывалось и использование образцов теплозащиты, которой будет облицована наветренная сторона будущего корабля Starship при входе в атмосферу. Теплозащитные плитки, установленные на демонстраторах, напоминают те, что использовались на американских шаттлах и на советском «Буране», разработанном компанией «Энергия», однако имеют не прямоугольную, а шестиугольную форму. Как пояснил в 2019 году Илон Маск, в этом случае «тепловая нагрузка распределяется наиболее оптимально по всему теплозащитному экрану» (что, конечно, сложно проверить без данных испытаний). По фотографиям прототипов видно, что поверхность, защищенная плитками из термостойкой керамики, от демонстратора к демонстратору становится все больше и больше, а инженеры экспериментируют со способами их крепления на стальном корпусе ракеты.
Работа теплозащиты — это вещь, которую сложно полностью смоделировать на компьютере, поэтому любые натурные испытания здесь очень полезны. Например, для тестов теплозащиты советского «Бурана» его конструкторы использовали специально сделанные небольшие аппараты-модели «БОР», которые во время испытаний помещали в аэродинамическую трубу. Специалисты SpaceX для той же цели исповедуют другой подход — совмещают различные испытания во время прыжков прототипов.
Самые важные доработки по итогам полетов последних аппаратов SN9 и SN10 сразу были внесены в конструкцию нового Starship SN11. 9 марта его установили на стартовый стол космодрома Starbase для криогенных и огневых тестов перед полетом, и уже скоро он может отправиться в новый тестовый полет.
А без взрывов нельзя было?
Изначально финансирование разработки сверхтяжелой ракеты велось за счет собственных средств компании SpaceX. Завершив работы по переходу на самую новую версию ракеты Falcon 9 Block 5, которая теперь используется для регулярных полетов к МКС и для выведения спутников, Маск смог перенаправить силы своих конструкторов на разработку Starship.
Благодаря финансовым ресурсам компания могла позволить себе сэкономить время и выбрала путь проектирования ракеты с большим количеством натурных испытаний. Так можно оперативно пробовать разные варианты конструкции и алгоритмов летных процедур. Это существенно отличается от подхода других компаний. Обычно при разработке новой ракеты да и другой космической техники делают упор на компьютерное моделирование и не любят афишировать испытания технологических моделей, которые, как известно, могут быть неудачными. Илон Маск делает все наоборот: испытания проводят в открытую, на полноразмерных макетах, добавляя в работу элемент шоу. Какой подход окажется более эффективным, можно будет сказать только тогда, когда работа над ракетой полностью завершится. Но элемент шоу здесь точно работает: взрывы хоть и неприятны, но привлекают внимание СМИ и людей по всему миру, а это внимание приносит свои плоды.
Так, еще не имея на руках работающей ракеты, Илон Маск уже продал право на полет на ней вокруг Луны миллиардеру Юсаку Маэдзаве, который заплатил авансом за свое путешествие в 2023–2024 годах в рамках проекта DearMoon. Японец купил всю ракету, однако полетит не один, а в составе экипажа ориентировочно из 12 человек, восемь из которых выберут к концу мая этого года на конкурсе заявок. По словам Маэдзавы, потенциальные кандидаты должны соответствовать двум критериям: заниматься деятельностью, которая «каким-либо образом помогает другим людям и обществу в целом», и быть готовыми поддерживать других членов экипажа. Сумма, которую Маэдзава заплатит за полет, не известна, однако известна стоимость первичного контракта от NASA на разработку системы посадки на Луну, для которой также планируется использовать Starship.
Илон Маск постоянно напоминает, что создает транспортную систему, в конечном счете, для полетов людей на Марс, с возможным первым полетом астронавтов в 2026 году. Однако для создания сверхтяжелой ракеты ему не обойтись без государственного финансирования, а цель Америки сейчас — Луна.
В 2020 году американская космическая администрация выбрала три проекта по доставке людей на поверхность Луны в рамках программы «Артемида», и SpaceX получила 135 миллионов долларов в рамках начального финансирования разработки этого корабля. Два конкурента получили существенно больше: Blue Origin — 579 миллионов долларов и Dynetics — 253 миллионов долларов. В апреле NASA должно выбрать две компании из трех для дальнейшего финансирования, и Маску очень нужно попасть в эту двойку. К сожалению, в космическом бюджете на 2021 год, принятом конгрессом в декабре, строчка «Система посадки людей» сильно сократилась: выделено лишь 850 миллионов долларов из тех 3,2 миллиарда до 2024 года, которые были заложены по программе «Артемида» ранее. Уже сейчас понятно, что если возвращение американцев на Луну и состоится, то оно произойдет позже, чем запланировано.
Чего добились конкуренты Маска
Американские конкуренты: Space Launch System компании «Боинг»
У сверхтяжелой ракеты Starship Илона Маска есть только один реальный конкурент — это проект сверхтяжелой ракеты-носителя Space Launch System (SLS), начатый корпорацией «Боинг» по контракту с NASA в 2011 году. Изначальной ее целью было вовсе не возвращение на Луну или полеты на Марс, а сохранение человеческих ресурсов после закрытия программы Space Shuttle. Предполагалось, что в будущем она потребуется для полетов в дальний космос, но конкретных планов тогда на нее, в общем-то, не было.
Облик ракеты, исходя из этой цели, оказался очень близок программе шаттлов. Доработанный топливный бак шаттла стал центральным блоком ракеты диаметром 8,4 метра и высотой 65 метров. Для боковых ускорителей использовались увеличенные по длине твердотопливные боковушки от того же шаттла. В качестве второй ступени в первой версии SLS используется вторая ступень ракеты Delta IV Heavy. Четыре многоразовых кислородно-водородных двигателя RS-25 были сняты с орбитальных челноков для установки на первый центральный блок первого полета. В дальнейшем эти дорогие двигатели, исходно разработанные для многоразового применения, придется применять для однократных полетов.
По планам SLS должна была запустить новый пилотируемый корабль «Орион» (Orion) в беспилотном режиме к Луне еще в 2017 году, сейчас же этот срок из-за различных технических проблем при испытаниях сдвинулся на ноябрь 2021 года. Все составные части первого летного экземпляра SLS были готовы уже в 2019-м, осталось их испытать и собрать в единую ракету перед стартом.
С января 2020 года центральная ступень первой SLS находится в Космическом центре им. Стенниса, где должна пройти главный тест двигателей — так называемый GreenRun, во время которого двигатели SLS должны проработать полный полетный цикл длительностью восемь минут. Испытания вполне могут и провалиться: первая попытка, состоявшая 17 января 2021 года, например, была прервана спустя всего 67,7 секунды из-за проблем в четвертом двигателе. Если же вторая попытка, которая запланирована уже на 18 марта, все-таки окажется удачной, будет проведен штатный ремонт ступени, затем ее погрузят на баржу Pegasus и отправят в Космический центр им. Кеннеди во Флориде для интеграции с боковыми ускорителями и второй ступенью. Тогда ракета будет готова к старту. Официально первый полет SLS с кораблем «Орион» в рамках миссии «Артемида-1» все еще запланирован на ноябрь 2021 года.
Space Launch System, похоже, проигрывает гонку за Луну компании Маска — «государственная» ракета оказалась слишком дорогой
Изначально планировалось, что все основные запуски по американской программе будут выполнены именно с помощью «государственной» сверхтяжелой ракеты SLS: это запуски кораблей «Орион» с людьми и запуски модулей окололунной станции Gateway. Частным подрядчикам в этой схеме доставалась только роль грузовых операторов — доставки грузов к Луне и на Луну. Но из-за задержек и очень высокой стоимости программы создания одноразовой SLS (к 2021 году суммарно программа поглотила уже 18 миллиардов долларов) ряд полезных нагрузок, которые NASA планировало для этого «сверхтяжа», пришлось перенести на другой носитель — и сейчас им объективно может быть только многоразовый и намного более дешевый Falcon Heavy.
Стоимость одного пуска SLS уже превышает изначально планируемые 500 миллионов долларов и оценивается экспертами сейчас в два миллиарда. При этом запуск на Falcon Heavy обойдется американским налогоплательщикам лишь в 90–150 миллионов долларов в зависимости от требований заказчика и типа использования ступеней — одноразового или многоразового. Ну и, возможно, некоторые расходы потребуются на дополнительные услуги.
Уже сейчас компания SpaceX получила важный контракт на запуск первых двух модулей международной окололунной станции Gateway: двигательно-энергетического модуля PPE и жилого модуля HALO в мае 2024 года. Стоимость подготовительных работ и запуска составляет 331,8 миллиона долларов. Кроме того, SpaceX, скорее всего, получит и контракт на запуск в 2024 году межпланетной станции NASA к Юпитеру Europa Clipper, который тоже будет проводиться на Falcon Heavy.
Есть у SpaceX и такие потенциальные конкуренты, которые не связаны с «Боингом» и программой SLS. Пока рассказ об их успехах был бы очень коротким, но не упомянуть об их наличии тоже нельзя. В будущем конкурировать с ракетами Маска потенциально могут проектируемые сейчас ракеты-носители New Glenn компании Blue Origin и Vulcan, создаваемый United Launch Alliance вместо ракеты «Атлас-5». Однако сейчас из всех этих трех ракет лишь Falcon Heavy находится в летной эксплуатации.
Китайские конкуренты: «Великий поход — 9»
В прошлом году Китай сделал амбициозный шаг в исследовании Луны, запустив первый в своей истории космический корабль, предназначенный для возвращения материала со спутника на Землю. 1 декабря аппарат совершил успешную посадку на поверхность Луны, после чего собрал образцы грунта, а уже 16 декабря автоматическая станция сбросила 300-килограммовую капсулу с ним на территорию Внутренней Монголии.
Сейчас начинается четвертый этап исследования Луны китайскими автоматическими станциями в районе Южного полюса Луны. Для его выполнения будет использоваться новая ракета-носитель тяжелого класса «Чанчжэн-5» («Великий поход — 5»). Аппарат «Чанъэ-6» совершит посадку для сбора и возвращения грунта. «Чанъэ-7» доставит на посадочном модуле луноход и небольшой демонстрационный модуль с реактивными двигателями. А «Чанъэ-8» отработает ключевые технологии по сооружению лунной станции, которая позволит проводить научные исследования и добычу полезных ископаемых на поверхности Луны.
На Южном полюсе Луны Китай встретится с Россией
В район Южного полюса Луны, где будут работать станции «Чанъэ — 6, 7, 8», Россия в этом десятилетии планирует посадить две автоматические станции «Луна-25» и «Луна-27». Чтобы не мешать, а помогать друг другу в этом районе, 9 марта 2021 года между «Роскосмосом» и Китайской национальной космической администрацией был подписан специальный меморандум о сотрудничестве на Луне.
В названии документа есть фраза о сотрудничестве в области создания Международной научной лунной станции. Но по смыслу речь идет о техническом взаимодействии на уровне автоматических станций «Луна — 25, 26, 27» и «Чанъэ — 6, 7, 8» как «комплекса экспериментально-исследовательских средств на поверхности и на орбите Луны, предназначенного для проведения научно-исследовательских работ». Проще говоря, никаких планов по созданию совместной российско-китайской обитаемой базы на Луне в документе нет. На основе этого меморандума будут проработаны технические соглашения о совместной работе аппаратов на Луне и на орбите. Сев в разных точках Южного полюса, аппараты дадут ученым больше информации, если договориться о совместном анализе полученных данных с поверхности.
Следующий, пятый этап китайского освоения Луны предусматривает полеты людей и создание жилой базы на поверхности, для чего и начаты работы по созданию сверхтяжелой ракеты-носителя «Чанчжэн-9» («Великий поход — 9»). Для этой же цели в Китае уже на завершающей стадии ведется программа создания лунного пилотируемого корабля. Он пока не получил названия, но его прототип уже совершил космический полет в беспилотном режиме в 2020 году.
Что касается самой сверхтяжелой ракеты «Чанчжэн-9», которая должна будет доставить людей на Луну, то о ней пока известно очень немногое. Так, официальное решение о ее разработке было принято китайскими властями только в начале 2021 года, первый пуск «Чанчжэн-9» должен состояться в 2030 году.
Сверхтяжелая ракета стартовой массой около 4000 тонн сможет вывести 140 тонн на низкую околоземную орбиту или более 50 тонн на окололунную орбиту. В конструкции «Чанчжэн-9» планируется использовать кислородно-керосиновые двигатели для первой ступени и кислородно-водородные — для второй. Возможно, в ракете будет заложена и частичная многоразовость: Китай вслед за США планирует переделать все свои космические ракеты в многоразовые к 2035 году.
Александр Хохлов