Starship – вопросы от дипломированного ракетчика⁠⁠

20.04.2023 года состоялось первый пуск ракеты-носителя сверхтяжёлого класса под общим названием Starship. Оставаясь большим поклонником средств выведения, я не мог пройти мимо, особенно если учесть, что данному классу носителей посвятил очень много времени в институте, а позже, и на работе. При просмотре прямой трансляции запуска, а также при ознакомлении с характеристиками данного носителя, у меня появились вопросы, которые я хотел бы обсудить. Поехали!

Старт РН Starship. (Фотография к тексту взята из свободных источников)

Скажу честно, за ракетами перестал следить с 2018 года в связи со сменой профессии (стало немного не до этого). О пуске узнал совершенно случайно, прочитав комментарий на одном из каналов о космосе в VK. А так как качественные ракетные пуски случаются не часто, решил посмотреть. И в тот же миг тонны воспоминаний и конспектов всплыли в моей памяти сразу после нажатия кнопки «Пуск» (или как там это у американцев принято). Разговор будет неприятным для поклонников Маска и всех людей, считающих, что ракетостроение – это просто. К самому Илону Маску я отношусь с осторожностью, но с достаточным уважением: большинство из его затей были воплощены в металле, хотя и «топорно». Об этом далее.

Вопросы к конструкции

Итак, Starship позиционируется как многоразовая сверхтяжёлая ракета-носитель, где вторая ступень выступает в роли транспортного космического аппарата. Концепция двухступенчатой ракеты, в целом, правильная, т.к. именно начиная с двух ступеней возможен космический полёт. Это та самая истина и то самое открытие, которое сделал Константин Эдуардович Циолковский, позволившее человечеству подняться в космос. Эмпирическим путём установлено (и подкреплено теоретическими выкладками), что, соблюдая правила размерности, двухступенчатую ракету можно наращивать до пяти ступеней. Надеюсь, что данный аспект конструкторы SpaceX тоже учли, и в скором времени мы увидим прототипы полноценной второй ступени, иначе данный носитель потеряет больше половины своих возможностей.

Старт РН Starship. Ещё один небольшой вопрос: перед стартом должны были закрыться все дренажные клапаны для наддува бака, а обильное испарение продолжается, судя по фотографиям и видео. Так и должно быть? (Фотография к тексту взята из свободных источников)

Следующий момент, который мне «резанул глаз» – это диаметр обоих ступеней ракеты-носителя, который равняется девяти метрам. Я сначала, грешным делом, подумал, что в ракете точно на одной из ступеней используется пара кислород-водород, но нет. Почитав немного, я понял в чём проблема: обе ступени должны вернуться на землю, что приводит к фатальным (для размерности) последствиям. Да, метан, который используется в качестве горючего, имеет плотность в два раза меньше, чем РГ-1 (авиационный керосин), но он привёл бы всего лишь к увеличению бака горючего, но не привёл бы к такому росту размерности. На минуточку, стартовая масса Starship (5000 тонн) почти в два раза превышает стартовую массу одной из самых малоэффективных ракет нашего прошлого – ракету-носитель Н-1 (2735 тонн)! Это наглядно показывает плату за многоразовость – двойная заправка. Мне очень интересно было бы узнать стоимость одной заправки, а также стоимость послеполётного обслуживания этой махины: как проводить ремонт баков изнутри (и сколько это стоит), как обслуживать 33 двигателя первой и 6 двигателей второй ступени (и сколько это стоит), как оценивать износ силовых конструкций и определять момент списания по износу (и сколько это стоит). Как бы не пришлось за всё это в конечном итоге платить человеческими жизнями обслуживающего персонала (которые никто не считает) или жизнями космонавтов (а может быть колонистов).

В отечественной практике большой диаметр ступеней – это головная боль. Связано это исключительно со средствами доставки частей ракет-носителей на космодром: либо по железной дороге (максимальный диаметр – 4.1 метр) или по воздуху (различные космические аппараты доставляются именно так, но размеры очень ограничены). В США исторически сложилась доставка готовых блоков морским и речным путём (так было при работах на РН «Сатурн-5»). Знатоки знают, что «максимум» из железнодорожных перевозок «выжал» Владимир Николаевич Челомей со своей ракетой «УР-500», более известной как «Протон». Создание же ракеты (всей) на ракетном полигоне – одна большая проблема, т.к. необходимо иметь на месте старта весь технологический арсенал.

Starship в сравнении с другими сверхтяжёлыми РН. (Иллюстрация к тексту взята из свободных источников)

Опыт космодрома «Байконур» при разработке двух РН сверхтяжёлого класса (Н-1 и «Энергия») заключается в огромных затратах на поддержание особого класса чистоты в помещениях монтажно-испытательных корпусов при наличии постоянных песчаных бурь. Космодром SpaceX, расположен в часто затапливаемой местности близ океана, что гарантирует наличие солёного морского тумана и повышенной влажности. Как поддерживается чистота сборочных цехов – вопрос отдельный.

Опять же, у меня есть большие вопросы к стартовому комплексу: почему рядом со стартом в открытом виде находятся заправочные ёмкости. Сразу вопрос: во время старта они пустые? Топливо для РН Н-1 хранили рядом со стартом, это так, но все цистерны были закопаны в землю, что превратило космодром в целый подземный город. А как здесь будут обстоять дела в случае аварии в первые 5-10 секунд полёта? Присутствует в этой ракете система «обязательного покидания старта» как на РН «Протон»? А также, как спасать экипаж со старта в случае аварии РН? Вопрос к обсуждению.

Стартовые сооружения для РН Н-1. Все магистрали и хранилища топлива (отмечены красным) расположены под землёй. (Фотография к тексту взята из свободных источников)

Вопросы к двигателям

Не получилось у меня стать ракетным двигателистом, занесло меня на ракетный факультет, но тем не менее, о двигателях я читал всё, что попадало в руки, а также излазил все имеющиеся двигатели в лаборатории на нашей (и не только нашей) кафедре. Отечественная и американская «школы» двигателестроения имеют как точки соприкосновения, так и существенные расхождения. Имело место и влияние «моды». Именно так в СССР главный (без скидок) двигателист Валентин Петрович Глушко, начал разработки двигателей, используя самые разные компоненты топлива, пытаясь добиться максимальных характеристик за счёт них. В результате большинство наших боевых ракет имеют двигатели разработки его коллектива на долгохранимом агрессивном топливе. Много позже его же коллектив создаст превосходные двигатели и на криогенных компонентах. В США пошли более прагматичным, но ничуть не менее сложным путём. Для создания мощнейшей РН «Сатурн-5» было выбрано две пары компонентов топлива: первая ступень (старт с Земли) – кислород и керосин, вторая и третья ступени – водород и кислород. Керосин, как горючее, имеет лучшие характеристики «у земли», а водород – в космосе. Так появились на свет два уникальных американских двигателя F-1 и J-2. Первый так и остался непревзойдённым как самый мощный однокамерный ракетный двигатель на компонентах кислород и керосин. Непревзойдённым он оказался даже сейчас для самих американцев.

Схема ЖРД Раптор. Двигатель хороший, но для данных целей слабоват. (Схема к тексту взята из свободных источников)

К чему весь этот исторический экскурс? Мне показался очень странным выбор параметров двигателя, который специально разрабатывался под космическую программу. Напомню, на ракете Н-1 стояло 30 двигателей с тягой по 150 тонн каждый и при этом в полёте могло отключиться суммарно 6 двигателей. У ракетного двигателя «Раптор» ориентировочно 200 тонн тяги и это неплохо само по себе, но не в составе такого жуткого пакета. Дело в том, что на первую ступень Н-1 поставили 30 двигателей не от лучшей жизни, об этом я как-нибудь отдельно напишу повесть «как поссорились Сергей Павлович и Валентин Петрович», а по причине отсутствия в стране даже попыток создания таких жидкостных ракетных двигателей. Позже все эти проблемы будут устранены, но на тот момент имели что имели.

Вернер фон Браун на фоне пяти двигателей F-1 в составе первой ступени РН «Сатурн-5» (Фотография к тексту взята из свободных источников)

На Н-1 стояла уникальная система управления полётом за счёт дросселирования (уменьшения тяги) периферийных двигателей (которые дальше от центра). В случае же отключения одного двигателя, одновременно с ним отключается диаметрально противоположный. На Starship я не увидел ничего похожего на эту схему: на старте сразу отключились три двигателя и симметрично ничего не отключилось. Предполагаю, что управление легло на 13 двигателей в кардановом подвесе. Кстати, несложно посчитать, что эти двигатели находятся близко к оси симметрии ракеты, а значит имеют недостаточное плечо для обеспечения управления.

Вывоз РН Н-1 из МИК. На первой ступени установлены 30 двигателей НК-15. (Фотография к тексту взята из свободных источников)

Одним из самых важных вопросов, который у меня возник по поводу этого двигателя – техобслуживание его после полёта. В этом есть тонкость, которую подметят только ракетные двигателисты: обычно жидкостные ракетные двигатели снабжены активной системой охлаждения сопла и камеры сгорания через, так называемую «рубашку охлаждения», по которой пропускают один из компонентов топлива, в данном случае – метан. При повышении температуры, метан неминуемо будет разлагаться на углерод и водород, что приведёт к выпадению сажи на трактах охлаждения. Закупоренные каналы могут привести к прогару. Вопрос – как чистить двигатели и сколько стоит послеполётное обслуживание 39 двигателей?

Что мне напомнил старт РН Starship. ☺ А ведь там была ещё и первая ступень… (Кадр из мультфильма «Гадкий я»)

Отсюда проистекают проблемы большой размерности. Напомню, на РН «Сатурн-5» на первой ступени было установлено пять мощных двигателей. Для первой ступени РН Starship таких потребовалось ориентировочно 11 двигателей, а это уже лучше с точки зрения даже человеческой – чем меньше важных узлов и агрегатов, тем больше внимания им будет уделено. На всякий случай, не смотря на обилие сопел на отечественных ракетах, двигателей там не много (у РН «Союз» в момент старта работают 5 двигательных установок, у РН «Энергия» – 8, а вот у Н-1 – 30).

А во время самого полёта меня обеспокоил огненный хвост, который оставался позади ракеты. Такое ощущение, что в хвостовом отсеке начался пожар, который и стал одной из причин такого бесславного финала полёта. Либо это всполохи огня от работы системы управления тех самых 13 двигателей, которые боролись за живучесть всей ракеты.

Старт РН Н-1 и его «огненный хвост». (Фотография к тексту взята из свободных источников)

Вопросы к испытаниям

Почему не полетела ракета Н-1? Не слушайте бредни всяких «околоэкспертов» и, даже, людей из профессии, т.к. это очень специфический вопрос, на который ответить нужно также специфически. Основную «бомбу», как сказали бы сейчас, заложил ещё Сергей Павлович Королёв, исключив из проекта наземные огневые испытания первой ступени для удешевления всего проекта. Это была основная проблема, т.к. из неё стали проистекать «одноразовые» двигатели НК-15 (их же не нужно «прожигать» больше одного раза) и многое другое. Здесь как раз нужно было целиком и полностью довериться американскому опыту (которым наши и воспользовались, когда делали РН «Энергия»), но которому, похоже, не доверилась SpaceX. Да, огневые испытания были, но как так вышло, что после них на старте сразу отключаются 3 двигателя, а в полёте ещё 2.

Также возник вопрос по системе разделения ступеней. Посмотрев несколько видео о полёте от разных блогеров, я услышал радостные визги о системе стыковки ступеней (что вторую ступень поднимают на кране и легко устанавливают на ракетный блок первой ступени). Место разделения ступеней входит в зону ответственности системы разделения ступеней, т.е. одной из самых ответственных систем во всей ракете, ведь, если не будет разделения, все эти миллиарды долларов просто упадут (как, собственно, и произошло). Я это говорю к тому, что проверять установку ступеней друг относительно друга нужно с особой тщательностью. Если часть замков при установке встала криво или была погнута, то разделения не будет. Об этом нам расскажут позже (надеюсь) сами сотрудники.

Сборка РН Starship – стыковка ракетных блоков. (Фотография к тексту взята из свободных источников)

Выводы

После взрыва Starship меня обескуражило поведение толпы в ЦУПе и, как я понял, в головном офисе: все безудержно хлопали в ладоши и поздравляли друг друга. Озадаченным выглядел один Илон Маск. Может у них так принято себя вести, но позиция Маска мне более понятна.

Да, ракета ушла со старта, поднялась на большую высоту, были отработаны установка, заправка, огневые испытания и многое другое, но я понимаю грусть в глазах Илона Маска. Я почти на все сто процентов уверен, что он надеялся на успех, как на первом пуске РН «Сатурн-5», которая тоже была испытана полностью на земле и безукоризненно поднялась в свой первый полёт, поразив всех. Здесь на лицо два очень неприятных факта: большой процент отказа двигателей (5 / 33 = 15%) и отказавшая система разделения, из-за которой был потерян космический корабль, который мог сесть обратно на землю.

… и чему-то радующиеся люди. (Фотография к тексту взяты из свободных источников)

Илону можно пожелать только удачи и, по возможности, учитывать в своих проектах опыт предыдущих поколений всех стран. Сейчас не составляет труда почитать про ту же РН Н-1 и о её проблемах, ведь она по духу очень близка ракете Starship.