Ловля ступеней Starship. Как достичь полной многоразовости. Пятничный Лонгрид #10
С момента появления многоразовых космических ракет идея повторного использования ступеней стала ключевым фактором снижения стоимости запусков. Однако современные технологии всё ещё далеки от полной многоразовости. Несмотря на успешную посадку первой ступени Falcon 9, её вторая ступень остаётся одноразовой, что значительно увеличивает эксплуатационные расходы.
Система Starship от SpaceX обещает изменить ситуацию, сделав обе ступени полностью многоразовыми. Для этого инженеры разработали революционные методы возврата и посадки: первая ступень Super Heavy не использует традиционные посадочные опоры, а ловится гигантскими механическими руками (Mechazilla), в то время как вторая ступень должна выдерживать экстремальные перегрузки при входе в атмосферу и возвращаться без повреждений.
Но насколько реалистичны эти амбициозные планы? Какие технические вызовы необходимо преодолеть, чтобы Starship действительно стал первой полностью многоразовой системой? В нашем юбилейном 10 выпуске, мы разберём, как SpaceX планирует ловить обе ступени и какие инженерные решения сделают это возможным.
Возвращение первой ступени Super Heavy
Super Heavy, в отличие от Falcon 9, не использует традиционные посадочные опоры. Этот отказ связан с необходимостью снижения массы и устранения ненужных конструктивных элементов, которые требуют дополнительного усиления корпуса. Вместо этого инженеры SpaceX разработали концепцию ловли ступени при помощи башни Mechazilla — массивной конструкции с подвижными механическими "руками".
В момент возвращения Super Heavy сначала совершает торможение, используя три центральных двигателя Raptor. Сеточные рули корректируют её положение, а автоматика синхронизирует траекторию с координатами Mechazilla. Когда ступень приближается к башне, начинается финальный манёвр: управляющая система с высокой точностью рассчитывает скорость, угол наклона и оптимальное положение для захвата. В этот момент двигатели работают на минимальной тяге, снижая вертикальную скорость до безопасных значений.
Ловля происходит в строго заданных точках корпуса, рассчитанных таким образом, чтобы конструкция ступени выдерживала нагрузку без повреждений. Для этого используются специальные крепёжные элементы, которые распределяют силу удара при контакте. Однако основная сложность заключается в том, что ракета остаётся подвижной вплоть до полного захвата. Она обладает кинетической энергией, которую необходимо компенсировать, иначе возможны рывки и неконтролируемые колебания.
Амортизационная система "рук" Mechazilla частично поддаётся в момент захвата, чтобы смягчить удар. Демпферы компенсируют вибрации, а механизмы удержания мгновенно фиксируют ступень в нужном положении. После завершения ловли Super Heavy остаётся закреплённой на башне до полного остывания, после чего её можно подготовить к следующему запуску.
Точность всей операции обеспечивается комбинацией нескольких систем. Компьютерное зрение и лидары отслеживают положение ступени в режиме реального времени. Спутниковая навигация Starlink передаёт сверхточные координаты, а инерциальные датчики внутри самой ракеты помогают учитывать мгновенные ускорения и угловую скорость. Всё это синхронизируется с системой предсказания траектории, которая рассчитывает движение Super Heavy с миллисекундной точностью.
Главная задача этой технологии — исключить необходимость посадочных площадок и минимизировать время на подготовку к повторному использованию. Если система будет работать стабильно, стоимость запусков снизится до уровня, при котором многоразовые ракеты смогут выполнять миссии с частотой авиарейсов.
Многоразовость первой ступени требует сложного компромисса между прочностью конструкции и её массой. Увеличение запаса прочности позволяет выдерживать нагрузки при возвращении, но добавляет вес, снижая эффективность ракеты. Напротив, облегчённые материалы повышают нагрузку на структуру при посадке и требуют точной компенсации динамических нагрузок.
Super Heavy возвращается на Землю с высокой скоростью, что создаёт серьёзные механические и аэродинамические нагрузки. Основное испытание — торможение перед посадкой, когда двигатели должны погасить значительную часть кинетической энергии. Этот процесс требует не только точного управления вектором тяги, но и жёсткости каркаса, способного выдерживать огромные перегрузки без деформации.
Управление массой также связано с распределением топлива. В момент возврата Super Heavy уже израсходовала большую часть горючего, но оставшийся запас необходим для торможения и коррекции траектории. Это означает, что конструкция должна учитывать не только прочность внешнего каркаса, но и внутреннюю архитектуру топливных баков, которые подвергаются дополнительным нагрузкам из-за резких манёвров.
Расчёты конструкции Super Heavy должны учитывать не только динамические характеристики полёта, но и точную синхронизацию всех этапов посадки, где малейшее отклонение может привести к критической ошибке. Как мы знаем, SpaceX уже удалось 2 раза поймать ускоритель Super Heavy, что доказывает тот факт, что большая часть этих проблем уже решена. Однако, компания и дальше продолжает совершенствовать конструкцию Super Heavy, чтобы уже в ближайшие годы прийти к полной многоразовости. Ну а сейчас давайте поговорим про верхнюю ступень.
Проблема возврата второй ступени Starship
Если первая ступень сталкивается с трудностями точного торможения и посадки, то возврат второй ступени представляет ещё более сложную задачу. В отличие от Super Heavy, которая движется в пределах атмосферы и может использовать двигатели для замедления на финальном этапе, Starship входит в плотные слои атмосферы с орбитальной скоростью, достигающей 27 000 км/ч. Это подразумевает колоссальные тепловые и аэродинамические нагрузки, которые необходимо учитывать при проектировании.
Главная угроза — нагрев корпуса. Входя в атмосферу, Starship сталкивается с плотными слоями воздуха, что приводит к возникновению плазмы вокруг корпуса. Температура на поверхности достигает нескольких тысяч градусов, что делает необходимым использование эффективной теплозащиты. SpaceX выбрала в качестве решения систему плиток из углеродного композита, способных выдерживать экстремальные температуры. Однако даже при таком подходе остаётся риск разрушения покрытия в случае его частичного повреждения или неплотного прилегания отдельных элементов.
Кроме термической нагрузки, критическим фактором становится управление траекторией спуска. В отличие от капсульных аппаратов, которые входят в атмосферу в жёстко фиксированном положении, Starship использует аэродинамическое торможение, меняя угол атаки. Это позволяет погасить значительную часть скорости до включения двигателей, но требует точного управления аэродинамическими поверхностями. Малейший сбой в системе ориентации приведёт к неконтролируемому вращению и потере аппарата.
На заключительном этапе Starship должен совершить манёвр переворота, переходя из горизонтального положения в вертикальное для посадки. Это самый критичный момент всего процесса, поскольку он требует точного расчёта высоты и скорости включения двигателей. Ошибки в синхронизации могут привести к слишком позднему включению тяги, что сделает невозможным замедление перед столкновением с поверхностью.
Ещё одна проблема — точность посадки. В отличие от Super Heavy, которая управляется преимущественно вертикально, Starship перемещается в атмосфере на больших расстояниях, что делает его чувствительным к ветровым потокам. Это усложняет прогнозирование конечной точки приземления и требует мощных систем коррекции траектории. Поскольку вторую ступень также как и первую планируют ловить руками, точность посадки должна быть доведена до нескольких сантиметров, ведь ловля второй ступени — это гораздо более сложная задача, чем ловля первой
SpaceX продолжает тестировать различные аспекты посадки, но до сих пор остаются открытыми многие вопросы, главным из которых конечно остаётся теплозащитный экран. Во время каждого из полётов во время которого вторая ступень доходила до этапа входа в атмосферу, у неё плавились крылья и отлетали плитки. SpaceX уже представила нам второе поколение Starship, однако мы так и не увидели его в действии из-за неполадок в последнем полёте, но мы верим что уже в ближайшие дни, мы увидем во всей красе работу нового поколения второй ступени Starship.
Испытания и реальные перспективы
К началу 2025 года SpaceX достигла значительных успехов в испытаниях системы возврата обеих ступеней Starship. В октябре 2024 года, во время пятого испытательного полёта, первая ступень Super Heavy (Booster 12) успешно вернулась на стартовую площадку и была поймана руками Mechazilla, что стало первым успешным захватом ускорителя с помощью этой системы. В ноябре 2024 года, в ходе шестого испытательного полёта, Booster 13 также выполнил контролируемый спуск, однако из-за предосторожностей инженеры решили не использовать Mechazilla, и ускоритель совершил мягкую посадку в водах Мексиканского залива, но уже в следующем 7-м полёте, мы вновь лицезрели умопомрачительные кадры ловли Booster 14. Спейсам ещё нужно пройти долгий путь, чтобы достичь тех целей, которые они планируют, однако уже сейчас можно сказать, что огромная часть плана уже выполнена.
Вторая ступень Starship также продемонстрировала значительный прогресс. В июне 2024 года, во время четвёртого испытательного полёта, прототип Ship 29 успешно вошёл в атмосферу и совершил контролируемое приводнение в Индийском океане, подтвердив работоспособность системы аэродинамического торможения и теплозащиты. В последующих испытаниях, включая пятый и шестой полёты, прототипы Ship 30 и Ship 31 повторили этот успех, демонстрируя стабильность системы при возвращении с орбиты. Попыток вернуть вторую ступень Starship на данный момент не было, однако у нас есть все шансы увидеть её уже в первых кварталах нынешнего года
Если дальнейшие тесты подтвердят надёжность и повторяемость этих операций, Starship станет первой в истории полностью многоразовой орбитальной ракетной системой, что значительно снизит стоимость космических запусков и откроет новые возможности для исследований и коммерческих миссий.
Заключение
Полная многоразовость Starship — это технологический вызов, с которым SpaceX постепенно справляется, шаг за шагом решая сложнейшие инженерные задачи. Успешные ловли первой ступени Super Heavy с помощью Mechazilla продемонстрировали, что отказ от посадочных опор не только возможен, но и может значительно ускорить подготовку ракеты к повторному запуску. Успешные приводнения второй ступени Starship доказали, что принцип аэродинамического торможения и система теплозащиты работают, но ещё требуют доводки перед переходом к ловле
Полностью многоразовый Starship откроет возможность сверхдешёвых запусков, сделав освоение Луны, Марса и дальнего космоса более доступным. Регулярные полёты без необходимости утилизации ступеней позволят снизить стоимость вывода грузов, а частые запуски ускорят развитие как околоземной инфраструктуры, так и межпланетных миссий.
Подписывайтесь на наш канал