Большая странная ракета

В начале 2019 года Илон Маск в очередной раз сообщил об изменениях, которым подвергнется его «Большая ракета Falcon» — BFR. Работа над этим проектом идет без малого четырнадцать лет, и чем дальше, тем больше технических сложностей встает на пути инженеров компании SpaceX. Предлагаемые ими решения кажутся слишком революционными, они до сих пор не дошли до стадии хотя бы полноценных экспериментов и точно не будут поддержаны NASA. На что же рассчитывает Маск, продолжая вкладывать средства в этот проект?

Проект BFR (Big Falcon Rocket) был анонсирован Илоном Маском еще в 2005 году и с тех пор непрерывно эволюционировал, причем полезная нагрузка в 100 тонн, о которой идет речь и сегодня, заявлялась первоначально. До недавних пор проект выглядел ультрасовременно: углепластиковый бак, полная многоразовость обеих ступеней, причем верхняя ступень заодно служит и космическим кораблем, и многое другое. В 2016–2018 годах обещали даже, что ракета с десятками новейших метановых двигателей Raptor будет выводить в космос до 150 тонн полезной нагрузки — больше, чем когда-либо в мировой истории.

Но в начале 2019 года все изменилось: Маск сообщил, что преодолел сопротивление своей команды инженеров и убедил их отказаться от высокопрочного пластика в пользу нержавеющей стали. Для ее охлаждения он планирует выпускать из раскаленной до сотен градусов обшивки испаряющийся метан. На первый взгляд, звучит странно: в земном воздухе метан при нагреве как минимум загорается. Встает вопрос: насколько реально охладить костер, подкидывая в него дрова?

Вдобавок обнаружилось, что даже короткую тестовую версию ракеты Starship ветер средней силы банально сдувает со стартового стола, а «удерживающей» ракету инфраструктуры на космодромах SpaceX пока нет. На космодромы NASA такую большую и насыщенную неопробованными техническими решениями ракету просто не пустят, хотя, в теории, на мысе Канаверал есть площадки, подходящие для модернизации под новую ракету. Да и государственное космическое агентство не интересуется кораблем, создатели которого преднамеренно отказались от средств спасения экипажа (о том, зачем Маск принял такое решение, будет сказано ниже).

На что надеется предприимчивый миллиардер? Что заставило его пойти на столь эксцентричные шаги?

Нержавейка против пластика

Сегодня ракеты строят из сплавов легких металлов. Для одноразовых конструкций они идеальны: не так дороги, как углепластик, и не нуждаются в тепловой защите, так как на повторное использование не рассчитаны. Тепловая защита требуется только спускаемой пилотируемой капсуле, для чего на нее ставят панели теплоизоляции.

Однако добиться полной многоразовости от ракеты из ничем не защищенных легких сплавов малореально. Да, SpaceX научилась повторно использовать первую ступень Falcon 9, но только потому, что та не набирает скорости выше 3 километров в секунду. Вторая ступень должна гасить более высокую скорость и при спасении нагреется куда сильнее. На посадку второй ступени придется затратить часть ее топлива. От этого полезная нагрузка Falcon 9 упала бы. Именно поэтому ракеты Илона Маска пока, скорее, «полумногоразовые»: вторая ступень остается расходуемой.

Для того чтобы избежать лишних трат топлива на спасение второй ступени BFR, SpaceX предложила беспрецедентную схему ее торможения. «Большая» ракета также будет садиться на хвост, но сперва сбросит скорость трением о воздух. Чтобы сделать его достаточно сильным, вторая ступень будет снижаться не хвостом вперед, а «лежа на боку» — развернувшись поперек воздушного потока (управление обеспечит набор рулевых поверхностей).

Огромная ракета высотой в 118 метров после расхода основной массы топлива весит очень мало и обе ее ступени, спускающиеся по отдельности, должна довольно эффективно замедляться об атмосферу. Первая сядет просто на хвост, как первая ступень Falcon 9 сейчас (ее скорость мала и тормозить «брюхом» не потребуется). А вот вторая (интегрированная с космическим кораблем) лишь в самом конце своего спуска рулевыми поверхностями «выпрямит» себя и сядет «на хвост».

Но «поперечное» аэродинамическое торможение хотя и экономит топливо, в то же время резко повышает тепловую нагрузку на обшивку. Следовательно, обшивку нужно делать более термостойкой — и, желательно, без тяжелой и дорогой керамической теплозащиты, которую на тех же шаттлах приходилось периодически чинить.

Именно поэтому Маск в поисках материала и для обшивки, и для топливного бака решил перейти на нержавейку. Она во много раз плотнее и алюминия, и углепластика, поэтому листы из нее при той же массе намного тоньше, отчего им не хватает жесткости. Полвека назад, когда этот материал впервые пытались использовать в ракетостроении, нехватку жесткости решали избыточным давлением газов внутри топливных баков из нержавейки. Увы, если давление удержать не удавалось, получалась отличная иллюстрация на тему «зачем ракете жесткость»:

SpaceX наддувать бак избыточным давлением не планирует: вместо этого компания сделает оболочку двуслойной, с силовым набором между слоями.

Никто не стал бы идти на все эти сложности, если бы не нужда в термостойкости при торможении корпусом ракеты об атмосферу. Здесь сталь явно доминирует над альтернативными материалами: и «ракетные» алюминиевые сплавы, и углепластик при многоразовом использовании нежелательно нагревать выше 150 градусов Цельсия — иначе упадет их прочность.

Нержавейка, которую планирует применить SpaceX, сохраняет нужную прочность до 815-870 градусов Цельсия. Разница, как мы видим, очень значительная. Именно поэтому при наземных тестах обшивки BFR ее греют до 1100 градусов Цельсия, что категорически не рекомендуется с традиционными «ракетными» материалами:

Утюг в космосе

Но одной термостойкостью ракету, падающую из космоса, не охладить: приходится гасить слишком большую скорость. Поэтому ключевую роль в охлаждении сыграет горючее ракеты — жидкий метан. Основная часть обеих ступеней BFR — по сути огромный цилиндрический бак с двойными стенками. Когда вторая ступень BFR начнет торможение, развернувшись «брюхом вниз», остатки метанового горючего скопятся в обращенной к Земле половине ракеты. Оттуда через специальные клапаны жидкий метан поступит в пространство между двумя слоями обшивки, где поглотит тепло от стальной оболочки, разогреваемой набегающим воздухом.

Нагревшись, небольшая часть метана внутри двуслойной обшивки испарится и выйдет наружу в виде тонких струек, бьющих из «брюха» ракеты так же, как струйки пара бьют из подошвы утюга. BFR станет первой в истории «потеющей» ракетой.

У читателя может возникнуть вопрос: что будет, когда струйки метана, пытаясь унести тепло за пределы ракеты, соприкоснутся с раскаленным воздухом? Не будет ли это напоминать тушение костра бензином? Как ни странно — нет.

Дело в том, что сгораемые тепловые щиты уже давно применяются для отвода тепла от космических кораблей. Абляционный тепловой щит на спускаемых аппаратах делают из полимеров еще со времен полетов американцев на Луну. Материал тепловых щитов спускаемых аппаратов советских космических кораблей (он состоял из асбестовых волокон и был пропитан бакелитовой смолой) отличался от американских, но принцип их работы был тем же — абляционным, основанном на уносе части массы щита при торможении в атмосфере«. Из-за слишком сильного нагрева и малого количества доступного кислорода расходуемый при охлаждении материал абляционного щита просто не успевает нормально сгореть: он проходит пиролиз, а получающиеся газообразные продукты пиролиза создают защитный пограничный слой, не подпускающий к обшивке космического корабля плазму, образующуюся при торможении в атмосфере.

Поэтому охлаждаться, «потея» горючим материалом, только звучит как кошмарная идея. На практике перед нами еще один вариант технологии, применяющейся со времен лунной гонки.

Попыткам охлаждать экстремально нагретые летающие аппараты за счет жидкого топлива уже много десятков лет. Так отводили тепло от обшивки Lockheed SR-71, разгонявшегося до 3 500 километров в час. Правда, его система охлаждения была заметно проще: в ней топливо попадало под обшивку не тогда, когда она уже нагрелась, а с самого взлета. У земли панели обшивки SR-71 имели значительные зазоры, похожие на зазоры стальных панелей на демонстраторе BFR (они исчезают только тогда, когда панели нагреются в сверхзвуковом полете). Поэтому топливо JP-7 частично разбрызгивалось по обшивке SR-71, оставляя на ней не очень эстетичные длинные подтеки.

Метан и полнопоточный закрытый цикл

Жидкостные ракетные двигатели сегодня бывают двух типов: открытого и закрытого цикла.

В первых горючее и окислитель сгорают в газогенераторе — устройстве для превращения жидкого ракетного топлива в горячий газ, который вращает турбонасосы. После раскручивания турбонасосов этот газ выбрасывается наружу. Топливо, горящее в газогенераторе, в создании тяги напрямую не участвует. Эти двигатели не экономичны, но просты — именно такими были первые советские ЖРД, американский «лунный» двигатель F-1 и Merlin, на которых летают Falcon 9.

Двигатели закрытого цикла имеют камеру предварительного сгорания, куда (в случае РД-180) подается немного керосина и избыток кислорода. Оттуда полученный газ идет через турбонасосы, потом — на дожиг в камеру сгорания, участвуя в создании тяги двигателя. В закрытом цикле можно пропустить через турбонасос больше газа (ведь его потом не надо «выбрасывать»). А более интенсивная работа турбонасосов позволяет поднять давление в камере сгорания и повысить тягу двигателя при том же объеме.

BFR использует двигатели Raptor. Это метан-кислородные ЖРД (до сих пор на метановых двигателях в космос никто не летал), использующие ранее никогда не применявшийся на практике цикл — полнопоточный закрытый.

У Raptor две камеры предварительного сгорания, где получают газ для турбонасосных агрегатов. В первой камере в избытке кислорода горит немного метана, во второй при недостатке кислорода горит много метана. После прохождения через турбонасосные агрегаты и тот, и другой потоки подают на дожиг в камеру сгорания. Это позволяет избегать недостаточно эффективного использования горючего и окислителя, как в РД-180.

За счет этого можно направить через турбонасосы еще больше горючего и окислителя, еще сильнее поднять давление в двигателе (выше 250 атмосфер в базовом Raptor, до 300 атмосфер — в перспективном), а большее количество газа, проходящее через турбонасосы, будет лучше охлаждать их, что даст двигателю возможность отработать сотни циклов без ремонта.

Как мы видим, несмотря на все сложности полнопоточной закрытой схемы, смысл в ней есть, и большой: без нее заметно поднять давление, экономичность и ресурс ракетного двигателя будет затруднительно.

Ракета без мачты

Несмотря на то, что SpaceX потратила долгие годы на продумывание конструкции BFR и наземные испытания Raptor, не стоит думать, что осталось только построить ракету и запустить ее в космос. Ни Вернер фон Браун, ни Королев не запустили свои первые космические ракеты с первой попытки: любой, кто делает что-то новое, неизбежно проходит через серию первоначальных ошибок.

Не стала исключением и команда Маска. Сперва они планировали делать девятиметровые ракеты в Калифорнии, близ штаб-квартиры SpaceX, а потом везти их морем в Техас, где и запускать с дешевого космодрома собственной постройки — даже без стартовых мачт, к которым «прислоняют» ракету.

Увы, вскоре оказалось, что возить девятиметровую в диаметре ракету дорого даже морем. А демонстратор второй ступени BFR, уже собранный в Техасе, банально повалило ветром (если быть вполне точным — только его верхнюю часть). Причина ровно та же, что делает ракету пригодной для «поперечного» торможения в атмосфере: у нее очень большая парусность и, пока ее полностью не заправят горючим и окислителем, очень малый вес. Это значит, что для ее хранения в собранном виде нужна как минимум мачта, а в идеале еще и ангар — ведь держать ракету все время заправленной непрактично.

В SpaceX оптимистично утверждают, что восстановят «подпрыгивающий» демонстратор BFR уже через пару недель. Более реалистичный срок — месяц. Уже весной в компании попробуют впервые оторвать ее от земли в серии «подскоков» на километровые высоты. Такие эксперименты должны показать, насколько эффективно работает финальная часть посадки ракеты — ее опускание на хвост при работе одного из трех установленных на демонстраторе двигателей Raptor.

Парашюты не нужны

Между стадиями «оторвать от земли демонстратор» и «полететь в космос» для BFR неизбежно пройдет несколько лет. Причина этого в том, что на нее, как уже отмечали опрошенные N + 1 эксперты, просто нет госзаказа. И очень сомнительно, что он появится в ближайшие годы.

Американский экономист Дж. Гэлбрейт еще полвека назад констатировал: крупные корпорации и государственные учреждении живут по одним и тем же принципам. Главный из них — минимизация рисков, которые крайне претят их наемному менеджменту. BFR противоречит этому принципу в каждом пункте.

Материал ее обшивки и система его охлаждения не использовались раньше. Ее двигатели сделаны по схеме, которая никогда не применялась в космических полетах. BFR полностью многоразовая — одно это, с учетом опыта тех же шаттлов — повод для беспокойства чиновников из NASA. Наконец, у нее нет и не может быть традиционной системы аварийного спасения, подобной той, что недавно спасла жизнь космонавтам аварийного «Союза-10», направлявшимся к МКС.

Еще в 2016 году Маск, в ответ на вопрос о системе аварийного спасения в виде отстреливаемой капсулы заявил: «Вторая ступень, интегрированная с кораблем, может лететь сама [даже если первая ступень сработала нештатно]... Аварийное спасение на этом космическом корабле — своего рода бессмыслица [так как он предназначен для дальних полетов]. Если вы на Марсе, то вы либо взлетите, либо нет. Парашюты, знаете ли, не слишком хорошо справляются с проблемой [вне Земли], и стандартная аварийная система спасения — тоже. Как вы спасете [в традиционной отстреливаемой капсуле] сотню человек — это просто нереально. Суть в том, чтобы сделать сам космический корабль предельно безопасным и надежным, в том числе за счет дублирования двигателей [способных обеспечить посадку на хвост], больших „запасов прочности“ по безопасности, хорошей испытанности. Во многом ситуация сходна с коммерческими авиалайнерами. У них тоже нет парашютов».

С практической точки зрения Маск прав. Внутренний герметичный объем BFR равен объему МКС и рассчитан на 40 пассажиров, летящих на Марс, или сто с лишним человек, путешествующих на «короткие» дистанции. Снабдить такое количество космонавтов отстреливаемыми аварийными пассажирскими капсулами так же малореально, как пассажиров авиалайнера — индивидуальными парашютами.

Государственным структурам это не может понравиться: со времен шаттлов, поставивших абсолютный рекорд по числу погибших членов экипажа, там не любят пилотируемые космические системы без средств аварийного спасения. Маск не может пойти на попятный и сделать капсулу аварийного спасения, поскольку она резко повысила бы стоимость и сложность BFR, к тому же снизила ее возможности по перевозке полезного груза и людей. По мнению Маска, необходимо сделать ракеты такими же надежными, как авиалайнеры, а не пытаться решить проблему безопасности раздачей спасательных средств.

Полетит или не полетит

По словам Ивана Моисеева, директора Института космической политики, это значит, что «...ракета останется на бумаге... на нее нет заказчика... У SpaceX таких денег нет, и другого заказчика на эту ракету нет, потому что NASA в своих межпланетных проектах ориентируется на использование своей собственной ракеты SLS. Нет заказчика — нет ракеты».

Это не просто мнение одного человека, так считают многие эксперты из российской космической отрасли. Но стоит помнить: не раз и не два те же эксперты предрекали проектам SpaceX неудачу. И не раз и не два SpaceX показывала, что Маск и его инженеры лучше знают свои возможности.

SpaceX — это не «Роскосмос» и не американская ULA, десятилетиями не меняющие объем своей выручки. Это быстро развивающаяся компания, поэтому объем доступных ей средств постоянно растет. В 2008 году у нее практически не было выручки от рынка коммерческих запусков. В 2018 году она стала крупнейшим игроком на этом рынке, а ее выручка шагнула далеко за миллиард долларов.

В настоящее время компания работает над проектом Starlink, реализация которого потребует вывода на орбиту тысяч спутников связи. Первая пара таких спутников уже показала техническую возможность спутникового интернета с откликом в 25 миллисекунд — в десятки раз меньше, чем у геостационарного спутникового интернета. SpaceX делает ставку на реализацию этого проекта, и сама будет решать, на чем ей выводить в космос спутники собственного производства.

Компанию не остановит отсутствие систем аварийного спасения или боязнь технических рисков (как отмечал тот же Гэлбрейт, собственники компаний склонны к риску куда больше наемного менеджмента крупных корпораций). После множества коммерческих стартов в рамках вывода спутников рано или поздно (скорее, поздно) появятся и заказы от государственных агентств.

Существующая в США бизнес-среда позволяет частным игрокам привлекать средства на миллиарды долларов в год (достаточно вспомнить другую компанию того же предпринимателя — Tesla) и годами работать в убыток, рассчитывая лишь на будущие прибыли от НИОКР с очень длительным циклом окупаемости.

Да, для России или Бразилии оценка российских экспертов, процитированная выше, вполне корректна. Проект такой капиталоемкости, как BFR, непременно остался бы здесь на бумаге — так же, как остался бы на бумаге и проект типа Tesla. В этих странах просто нет такого же количества дешевого капитала, как США. Но к Штатам это не относится, поэтому за первыми тестовыми отрывами BFR в 2019-2020 годах с очень большой вероятностью последуют настоящие космические полеты. В том числе — и к другим небесным телам.

Александр Березин