Эрик Бергер: Starship сегодня и завтра

Ошеломляющий и зрелищный подхват ракеты Superheavy в начале этого месяца двумя "механическими руками" ознаменовал значительный шаг вперед в усилиях SpaceX навсегда изменить отношения человечества с космическим пространством.

Однако каким бы замечательным ни был подхват ракеты, он представляет собой всего лишь один шаг на долгом пути. SpaceX стремится сделать запуски с помощью Starship дешевыми, частыми и надежными — и компания работает над тем, чтобы настал день, когда ракеты будут регулярно ловиться пусковой башней, устанавливаться обратно на стартовый стол, дозаправляться и снова лететь через несколько часов. SpaceX заявляет, что однажды эти усилия завершатся посадкой космических кораблей на Луну и Марс.

Критики архитектуры Starship говорят, что она неэффективна из–за массовой дозаправки, которая должна происходить на низкой околоземной орбите, чтобы космический корабль мог путешествовать куда угодно. Например, для высадки людей на Луну и возврата их на лунную орбиту может потребоваться дюжина или более рейсов танкеров. Но это только кажется глупо непрактичным в рамках старой космической парадигмы, в которой запуски дороги, редки и ненадежны. Такая критика кажется менее заметной, если мы представим, что SpaceX через несколько лет достигнет возможности запуска дюжины кораблей в неделю — или даже больше.

Подхват ракеты–носителя Superheavy 13 октября на стартовом комплексе Starbase в Южном Техасе приближает нас к столь высоким темпам запуска. Это подтверждает жизненность дикой для нынешней космоиндустрии концепции стартовой башни, которая не только поддерживает ракету перед стартом, но и имеет все необходимое, чтобы подхватить ее через несколько минут. Еще два года назад эта идея звучала более чем странно — но времена изменились. SpaceX доказала, что ее гигантский ускоритель не нуждается в громоздких посадочных опорах и тем самым может сократить дни обработки, необходимые в противном случае для перемещения приземлившейся ракеты обратно на стартовую площадку. Меньшая масса и более высокая оборачиваемость — несомненная победа для концепции Starship.

Так что же дальше?

Вот наша лучшая попытка собрать воедино основные этапы и основные цели программы Starship на следующие несколько лет, прежде чем она откроет возможность высаживать людей на Луну в рамках программы НАСА «Артемида» и начнет выполнять демонстрационные миссии на Марс. Ради интереса мы также включили некоторые предполагаемые даты для каждой из этих вех. Это наши лучшие предположения, и они почти наверняка ошибочны.

Перезапуск Raptor в полете (конец 2024 г., начало 2025 г.)

На сегодняшний день верхняя ступень сверхтяжелой ракеты Starship еще не вышла на орбиту. Вместо этого она была потеряна во время первых трех полетов перед контролируемым входом в Индийский океан во время четвертого и пятого испытательных полетов корабля, включая запуск в начале этого месяца.

Основная причина, по которой Starship не вышел на орбиту и не совершил несколько витков вокруг планеты, заключается в том, что SpaceX (и Федеральное управление гражданской авиации) хотят быть уверенными, что корабль будет безопасно возвращён на Землю и приземлится в отдаленном районе океана. Starship очень велик, и падение кусков корабля на сушу, особенно на населенную территорию, будет катастрофой. Чтобы совершить контролируемый вход в атмосферу, SpaceX должна продемонстрировать способность повторно запускать двигатели Raptor в космосе для точного спуска с орбиты.

Во время третьего испытательного полета Starship в марте 2024 года SpaceX изначально планировала провести в полете повторный запуск одного или нескольких двигателей Raptor, но эта попытка была прервана, поскольку корабль вышел из–под контроля. В последних двух испытательных полетах SpaceX не проводила испытания Raptor, поскольку инженерные группы сосредоточились на улучшении возможностей входа в атмосферу второй ступени.

Однако SpaceX может попытаться запустить один или несколько двигателей Raptor во время шестого испытательного полета или вскоре после него. Успешное прохождение этого этапа позволит компании начать орбитальные миссии с помощью Starship и, вероятно, откроет путь к запускам Starlink, возможно, уже в первой половине следующего года. Это будут более крупные спутники Starlink, которые смогут поместиться только в отсек полезной нагрузки Starship и будут обеспечивать рост скорости доступа в Интернет.

SpaceX уже провела испытательный запуск верхней ступени Starship для этого шестого испытательного полета, известного как Starship 31, а на прошлой неделе она перевезла первую ступень Superheavy (Booster 13) на стартовую площадку для статического огневого испытания. С аппаратной и нормативной точки зрения запуск этого испытательного полета в ноябре вполне возможен.

Контролируемое приземление Starship (середина–конец 2025 г.)

В ходе пятого испытательного полета в этом месяце SpaceX продемонстрировала способность посадить верхнюю ступень в заданном районе Индийского океана. Мы знаем это, потому что компания установила камеру на буе, заранее отслеживающем вход ракеты в атмосферу, а затем впоследствии опубликовала отснятый материал.

Возможность точно посадить ступень открывает возможность вернуть ее неповрежденной. Основатель SpaceX Илон Маск упомянул о «поимке» звездолета в первой половине 2025 года, предположительно с помощью башни в Южном Техасе. (Компания не близка к завершению строительства башен для запуска и подхвата где–либо еще в мире). Однако нормативные вопросы, связанные с поимкой Starship на объекте Starbase в Южном Техасе, мягко говоря, интересны.

В отличие от ракеты–носителя Superheavy, которая пролетает над Мексиканским заливом и получает зеленый свет на возвращение к прибрежной стартовой площадке только за несколько секунд до попытки приземления, Starship обязательно пролетит над Мексикой (вероятно, недалеко от густонаселенного города Монтеррей) и Техасом на пути к Starbase. Вы должны быть уверены, что большие части вашего космического корабля не упадут при возвращении на чью–либо территорию.

По этой причине SpaceX может сначала попытаться вертикально посадить Starship в другом месте. Ходили слухи о партнерстве с Австралией, и один источник сообщил Ars, что в начале этого года SpaceX исследовала атолл Джонстон в Тихом океане. Такие места позволят более безопасно вернуть звездолет на землю. Однако такой подход также потребует посадочных опор.

В будущем SpaceX, несомненно, построит несколько версий Starship. У «танкеров», которые доставляют топливо в большой склад на низкой околоземной орбите, не будет ног, потому что они полетят обратно в Техас или Флориду, чтобы их поймали башни. Но чтобы приземлиться на Луну или Марс, SpaceX в конечном итоге придется добавить к аппарату опоры.

Вопрос в том, будет ли SpaceX реализовывать этот проект по разработке опор сейчас, чтобы обеспечить возможность проведения посадочных испытаний, или же отложить его и пройти через нормативные дебри, чтобы обеспечить возможность подхвата и посадки корабля в Южном Техасе. Возможно, окончательное решение еще не принято.

Демо–версия перекачки топлива для HLS (конец 2025 г.)

Это следующая важная веха для НАСА, которое стремится увидеть прогресс в разработке системы HLS, чтобы облегчить реализацию плана «Артемида» на Луне. Публично космическое агентство планирует высадить свой первый экипаж «Артемиды» на поверхность Луны в сентябре 2026 года. Чтобы достичь этой даты, представители НАСА ранее сообщили Ars, что SpaceX необходимо провести испытание по перекачке топлива в первом квартале 2025 года.

Мы не ожидаем, что это произойдет, поскольку перед проведением этого испытания необходимо выполнить большую подготовительную работу.

Для демонстрации передачи топлива SpaceX запустит «цель» Starship на низкую околоземную орбиту, за которой последует «преследователь» Starship. Затем аппараты встретятся в космосе, состыкуются, и в ходе беспрецедентного космического балета машина–преследователь передаст значительное количество криогенного топлива в целевой аппарат. Наконец, корабли расстыкуются, и каждый выполнит спуск с орбиты.

Для реализации этой демонстрационной миссии, предположительно, потребуется завершение строительства второй пусковой башни в Южном Техасе для запуска преследователя. Кроме того, SpaceX должна построить и испытать механизмы стыковки, быстроразъемные соединения, навигационные датчики и двигатели на горячем газе.

SpaceX работает быстро и, несомненно, продвигается вперед во многих из этих областей. Однако у компании пока нет точной даты проведения испытаний. Два источника сообщили Ars, что компания планирует провести тестирование «в следующем году», так что с оптимизмом можно сказать, что до того, что, безусловно, станет обязательным для просмотра на телевидении, остался, возможно, год. Независимо от результата теста, вполне вероятно, что SpaceX выполнит несколько версий этого теста для оптимизации процедур.

Повторный полет первой ступени Superheavy (начало 2026 г.)

SpaceX вернула целой разгонную ступень своей ракеты Starship, и не может быть никаких сомнений в том, что инженеры получают невероятно ценные данные о характеристиках и износе оборудования. Эта ракета–носитель больше не полетит, но одна из первых ступеней, пойманная в ближайшие месяцы, вполне может полететь во второй раз.

После подхвата ракеты в этом месяце Маск прокомментировал в своей социальной сети X, что существует «хороший шанс, что Starship достигнет полной возможности повторного использования в 2025 году, что является критическим прорывом, необходимым для того, чтобы сделать жизнь многопланетной». Это означает, что компания хочет повторно запустить как ракету–носитель, так и верхнюю ступень в следующем году, но сроки кажутся оптимистичными, особенно для верхней ступени Starship.

История может предложить некоторые лучшие подсказки о том, чего ожидать. Между первой посадкой ракеты Falcon 9 в декабре 2015 года и возможным повторным использованием первой ступени в марте 2017 года прошло чуть больше 15 месяцев. В случае со Starship актуальность выше, и у компании гораздо больше ресурсов. В то же время Superheavy — гораздо более крупная и сложная ракета, чем ракета Falcon 9. Я ожидаю, что SpaceX не торопится с полным тестированием разгонной ступени, прежде чем вернуть ее на стартовую башню, тем самым ограничивая риски для своей наземной инфраструктуры.

SpaceX также быстро совершенствует конструкцию своих ускорителей, поэтому транспортные средства, которые она приземляет сегодня, возможно, не те, которые она захочет повторно запускать, предпочитая использовать улучшенные модели. По этим причинам до повторного полета Superheavy, вероятно, осталось как минимум год.

Наземные системы и LOX

Мы не назначаем дату этого события, поскольку это будет происходить постепенно, с течением времени. Однако подготовка почвы для частых запусков звездолетов представляет собой серьезное препятствие в течение следующих нескольких лет.

Маск заявил, что первоначально SpaceX планирует построить две пусковые башни в Южном Техасе и две во Флориде. Предположительно, это базовая наземная инфраструктура, необходимая для поддержки программы «Артемида» и многочисленных полетов дозаправки, необходимых для полётов на Луну. SpaceX еще предстоит оформить много документов для этого, включая работу с Космическими силами США во Флориде и согласование экологических проверок с Федеральным управлением гражданской авиации для строительства этих четырех башен и достижения высокой частоты запусков.

Еще одним важным, но недооцененным вопросом является расход топлива и окислителя. При старте одна только ракета–носитель Superheavy несет массу криогенного топлива порядка 7,5 миллионов фунтов (3400 метрических тонн). Жидкий кислород составляет значительную часть этого объема, и каждый запуск наносит серьезный ущерб производству жидкого кислорода в США, который используется различными клиентами, включая больницы.

Другими словами, запуск четырех ракет Starship за один день израсходует весь запас жидкого кислорода в стране на этот день. Соответственно, SpaceX должна найти способ масштабировать производство жидкого кислорода и обеспечить его огромные поставки как в Южный Техас, так и на свои будущие стартовые комплексы Starship во Флориде.

Длительные летные испытания (конец 2026 г.)

НАСА постоянно включало эту веху в свой график системы HLS c тех пор, как первые версии графика были опубликованы в августе 2021 года.

Хотя космическое агентство предоставило мало подробностей, это длительное испытание, вероятно, призвано продемонстрировать способность космического корабля задерживаться вблизи Луны.

Это необходимо, потому что в рамках первых миссий «Артемида» астронавты НАСА запустятся внутри космического корабля «Орион» и через несколько дней встретятся со звездолетом на лунной орбите. Из–за потенциальных погодных и технических задержек запуска ракеты системы космического запуска НАСА Starship должен иметь возможность находиться на лунной орбите до 100 дней, ожидая прибытия экипажа. В течение этого времени корабль должен автономно оставаться в обитаемом состоянии и не допускать значительного выкипания жидкого кислорода и метана.

НАСА и SpaceX, скорее всего, завершат проект «лунного» корабля Starship после этих летных испытаний.

Беспилотная посадка на Луну (начало–середина 2027 г.)

Это будет самое критическое испытание Starship перед тем, как состоится посадка на Луну. Во время этого полета полностью заправленный звездолет отправится с низкой околоземной орбиты к Луне. Там через определенный промежуток времени будет разрешена попытка вертикальной посадки вблизи Южного полюса Луны.

При такой посадке возникает множество проблем, но одной из наиболее важных является возможность опрокидывания. Starship нуждается в достаточно ровной поверхности, чтобы транспортное средство не опрокинулось. (Один источник сообщил Ars, что поверхность Луны должна быть в пределах 1,5 градусов от идеально ровной). Эта миссия, скорее всего, будет перевозить груз, который будет выгружен для испытания «лифта», на котором астронавты будут спускаться на поверхность Луны.

Через несколько дней на поверхности Starship приступит к самой важной части своей миссии — подъёму с поверхности Луны. В лунном модуле «Аполлон» использовалось хранимое гиперголическое топливо, аэрозин 50 и четырехокись азота, которые не нужно было хранить при криогенных температурах, таких как метан и жидкий кислород. Задача Starship заключается в том, что он должен стартовать с поверхности Луны без башни или какого–либо наземного вспомогательного оборудования. Это станет решающим испытанием на жизнеспособность Starship в качестве лунного корабля.

В зависимости от уровня успеха этого испытательного полета, SpaceX и НАСА могут почувствовать необходимость повторить его перед миссией по высадке на Луну Артемиды III.

Десант с экипажем (сентябрь 2028 г.)

Если все пойдет хорошо, НАСА сможет выполнить первоначальное обещание программы «Артемида» и высадить двух астронавтов на поверхность Луны в 2028 году. Это на два года позже текущей цели НАСА в сентябре 2026 года, но все равно будет представлять собой титаническую задачу для SpaceX и космического агентства. Если возникнут значительные неудачи, такие как неудачный захват башни или сбои во время заправки в космосе, программа, несомненно, столкнется с новыми задержками.

Естественно, некоторые люди могут задаться вопросом, почему SpaceX и НАСА вкладывают так много усилий в создание сложного лунного корабля, когда лунный модуль, разработанный и используемый в 1960–х годах, был намного проще. Это справедливый вопрос. Ответ таков: как и все остальное оборудование, использованное во время программы «Аполлон», включая ракету «Сатурн–5» и космический корабль «Аполлон», лунный модуль был израсходован после однократного использования. Соединенным Штатам быстро стало не по карману выполнение лунных миссий.

Главной целью НАСА является длительное возвращение на Луну. Для этого необходимо повторное использование ключевых элементов архитектуры. Более того, программе «Аполлон» не хватало возможностей доставить на Луну крупное оборудование. Даже если бы лунный модуль был перепрофилирован только под грузовой, его максимальная грузоподъемность составляла около 5 тонн. Одноразовый звездолет мог бы доставить на поверхность Луны ошеломляющие 200 тонн груза внутри обтекателя полезной нагрузки.

Если мы все сделаем правильно, у Соединенных Штатов действительно может быть потрясающая лунная программа. Но это потребует много тяжелой работы на начальном этапе. К счастью, Маск направил все ресурсы SpaceX на этот проект. Впервые в истории компании (на протяжении которой Маск безжалостно экономил деньги) SpaceX больше не ограничена финансированием. Нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы раскрыть потенциал Starship, но инженеры SpaceX продвигаются вперед так быстро, как только могут.

ЗЫ перевод с незначительными сокращениями, англоязычный оригинал здесь

Написал ecort на astronautics.d3.ru / комментировать