Корабль-труба: как устроен космический корабль Starship

Фото: SpaceX, flickr.com

Практически все космические ракеты, существовавшие от первой – советского семейства Р-7, на которой вышли в космос «Спутник» и «Восток», – и до наших дней, на самом деле очень похожи друг на друга. Почти все они сделаны из алюминия и его сплавов. Почти все используют ракетные двигатели без полнопоточного закрытого цикла – то есть такие, в которых топливо сгорает не оптимальным образом.

Ни одна из этих ракет не «употребляла» метан: все конструкторы по тем или иным причинам выбирали горючим или керосин (он дает много энергии на единицу объема, поэтому на нем летают «Союзы» и Falcon), или водород. У него много энергии на единицу массы, на нем частично летал «Сатурн-5», выводивший людей на траекторию к Луне, а еще – советская «Энергия».

Наконец, практически ни одну из этих ракет нельзя назвать полностью многоразовой и – что важно – она не составляет одно целое с кораблем на протяжении всего полета. Даже шаттлы, которые исходно планировали полностью многоразовыми, причем такими, чтобы ускорители и корабль были единым «монолитом», в конечном счете вышли в космос со сбрасываемыми ускорителями огромных размеров. А попытка использовать в их конструкции углепластик и вовсе привела к гибели семерых человек: отвалившийся кусок теплоизоляции оставил дыру в углепластиковой оболочке крыла. При входе в атмосферу воздух стал эту дыру расширять, и шаттл разрушился. На этом фоне Starship выделяется как черная овца среди белых. Ну, или наоборот – думаем, к концу этого текста вы сами решите, какой вариант ближе к истине.

Маск против инженеров: выбор топлива

Вообще-то, инженеры SpaceX изначально тоже хотели пойти по обычному пути: алюминиевые сплавы для ракеты и корабля, углепластиковый бак для ракетного топлива. Первые варианты гигантского корабля SpaceX, КАК «Энергия», даже предполагали использование водорода. Керосин отвергли сразу, потому что слетать на Марс и вернуться на запасе земного топлива не получится, а найти керосин на четвертой планете вряд ли реально.

Теперь от этих планов не осталось и камня на камне. Первое ключевое решение, принятое Маском в этом проекте, – уход от водорода в пользу метана. Да, жидкий водород на единицу массы дает 33 киловатт-часа на килограмм (метан – лишь 14,9). Но беда в том, что даже сжиженный водород, во-первых, позволяет получить только 2360 киловатт-часа на кубометр объема, а жидкий метан – уже 6166 киловатт-час. То есть в топливный бак одного объема метан «запихнет» кратно больше энергии, чем водород.

Во-вторых, молекула водорода очень маленькая, поэтому газ буквально просачивается через стенки, и для обратного полета с Марса получаемый на месте (из местной воды и углекислого газа атмосферы) водород придется копить несколько месяцев. Молекула метана много больше – там такой проблемы нет. Так было принято решение именно о метановом двигателе.

Отказ от алюминия: здравая попытка

В США уже пробовали изготавливать ракеты из нержавеющей стали – полвека назад. Но тогда конструкторы решили сделать стенки потоньше для экономии массы. Чтобы при этом хватало прочности, стальную часть ракеты «поддули» изнутри избыточным давлением топлива, что в нее закачали. Увы, случилась утечка, и ракета буквально сложилась пополам прямо на стартовом столе.

Илон Маск пошел против коллективного разума своих инженеров, предлагавших сделать корпус алюминиевым, а топливный бак – углепластиковым. Он отметил: и алюминиевые сплавы, и углепластик резко теряют прочность, как только их нагревают выше +150 градусов. А вот нержавейка, выбранная им для Starship, сохраняет прочность и при +815.

Почему прочность при нагреве для нового корабля (совмещенного с ракетой) так важна? Ведь тот же Falcon 9 вполне выдерживает нужный нагрев при взлете и при посадке первой ступени на Землю.

Проблема тут как раз в этой самой «первой ступени». Чтобы полеты Starship были достаточно дешевыми, он должен быть полностью многоразовым – и для второй ступени тоже. А скорость возврата второй ступени на Землю намного выше, чем первой. Чтобы та нормально пережила приземление, нужно или потратить много топлива на посадку двигателями, или тормозить корпусом ступени о верхние слои атмосферы – неизбежно нагреваясь до высоких температур.

Если выбрать первый путь спасения второй ступени, та будет слишком много топлива тратить на посадку, а значит, выведет мало полезного груза. Получается, остается только второй. И в этом случае ракета, которую можно греть до +815, явно лучше той, которую лучше лишний раз не греть выше +150.

Конечно, у Starship стальная оболочка толстая, совсем не как на американской ракете, сложившейся пополам. Поэтому она не сложится на стартовом столе. Но, до недавних пусков, было непонятно, достаточно ли она жаростойка и прочна, чтобы благополучно спасти вторую ступень без лишних затрат топлива.

ЖРД «Раптор» на заводе в Хоторне. Фото: Brandon De Young, wikipedia.org

Метановый Raptor: двигатель с полной газификацией

В обычной ракете часть топлива горит в газогенераторе, откуда горячие газы идут крутить турбонасосы, качающие остальное топливо. То, что горит в газогенераторе, в типичной ракете для создания тяги не используется: после турбонасосов газы выбрасываются в космос.

В метан-кислородном Raptor схема иная: у него газы после турбонасоса сгорают в основной камере сгорания, создавая тягу. Поэтому в турбонасосы можно подать больше газов – а это, в свою очередь, позволяет серьезно поднять давление в камере сгорания. Конечная цель компании – поднять его до трех сотен атмосфер.

Чем выше давление в камере сгорания, тем больше топлива там сгорает в единицу времени, тем выше тяга на единицу массы двигателя, и, соответственно, тем меньше нужная масса этих двигателей. Все это ведет к более высокой полезной нагрузке – без которой ракете до Марса просто не долететь.

Революция больших размеров

Вторая ступень Starship – это не только ступень, но и одноименный космический корабль. И вот здесь размер имеет огромное значение: диаметр девять метров при высоте в 50 позволяет ему иметь герметичный объем более 800 кубометров при полезном грузе не менее 100 тонн.

Это делает его кораблем принципиально нового класса: по внутренним объемам равным МКС. Только у МКС объем составлен из многих малых секций, внутри которых особо не развернешься, а у Starship – секция одна, и там можно хоть забеги устраивать. Кстати, это не шутка: на «Скайлэб», орбитальной станции из ступени ракеты «Сатурн» Вернера фон Брауна, диаметр ступени был 6,5 метра, и, пользуясь невесомостью, астронавты устраивали круговые забеги внутри ступени. Это важно, ведь физические нагрузки в космосе нужны для поддержания здоровья.

Такой объем позволяет заменить одним новым кораблем крупную орбитальную станцию, а объединив два-три таких корабля на орбите – собрать суперстанцию, настолько большую, что ее относительно просто закрутить работой двигателей до создания центробежной силы, заменяющей силу тяжести. Именно нехватка последней – главная проблема космонавтов в невесомости, потому что без гравитации масса костной ткани может упасть на величину до 20 процентов, что опасно для физического выживания человека.

Наконец, в таком огромном корабле можно разместить десятки людей, путешествующих к Марсу целых четыре месяца, – именно столько по расчетам Starship будет лететь к Красной планете.

Весьма полезны большие размеры будут и для строительства будущих марсианских баз. Starship настолько прочен, что его можно уложить на грунт, не нарушив герметичность. А затем обсыпать грунтом же и тем самым создать убежище, где астронавты смогут ночевать при резко сниженном радиационном фоне.

И немного о последнем. Вопреки рассказам о губительной радиации на Марсе, ее уровень там 0,23 зиверта в год. Российским ученым, подвергавшим мышей такому облучению, не удалось выявить у них негативных последствий для здоровья. Правда, возникли пока сложно объяснимые позитивные, цитируем: «…открыты успокаивающие, антидепрессантные, понижающие агрессию и способствующие росту когнитивных возможностей эффекты ионизирующей радиации на центральную нервную систему».

Несмотря на это, естественный консерватизм требует создания убежищ, где космонавты были бы защищены, даже если особой нужды в такой защите и нет. Без Starship реализовать такую защиту было бы сложно: делать герметичные землянки на другой планете не так просто, как кажется.

Колониальный корабль?

В общем, получается, что девятиметровая труба высотой дюжину раз по десять метров – не просто самая большая ракета (а заодно и космический корабль) в истории. Это первое транспортное средство, пригодное для перевозки сотни тонн груза к Марсу и даже возвращению с него людей. Ничего из того, что человечество творило раньше, подобных возможностей не имеет.

Куда более сложный вопрос – будет ли достаточно даже самого лучшего корабля для создания миллионной человеческой колонии на четвертой планете, о которой мечтает Маск? Ответ на этот вопрос неизбежно связан не только с техническими, но и с экономическими возможностями. Да, Starship обещает снизить цену полетов в космос как минимум в двадцать раз – а если цены на метан вернутся к норме, то и куда больше.

Ведь по расчетам основная часть расходов при его полете будет состоять из цены топлива. А жидкий кислород и метан стоят буквально по миллиону-другому долларов на пуск, даже если учесть услуги заправки. Ресурс нового корабля рассчитывается больше чем на сто полетов без переборки двигателей. Если его удастся выдержать – стократное падение цены полетов вполне реально.

Проблема в другом. Даже при стократно упавшей стоимости колонизации Марса она все еще потребует триллионов долларов. Это вполне по силам человечеству. Правда, у этого самого человечества в целом пока нет намерения их тратить. Национальные правительства могут пойти на это ради престижа, но в колонизации силами частной компании трудно найти следы государственного реноме. По силам ли колонизация Марса одной частной компании, SpaceX, без опоры на остальную часть мира? Ответ на этот вопрос даст лишь время.