Заправка Starship. Как это происходит и какая инфраструктура в этом участвует. Пятничный Лонгрид #21

Все мы любим смотреть на запуски Starship, но как известно, за кулисами красивых кадров скрывается море процессов и один из них - заправка. Это один из важнейших этапов предстартовой подготовки. Кроме того, он достаточно опасный, так как любая ошибка или утечка топлива, может привести к пожару или даже взрыву. В этой статье разберём, как заправляется Starship, и какую наземную инфраструктуру для этого построили (а потом перестроили) инженеры SpaceX

Орбитальная топливная ферма (OTF): наземная инфраструктура для топлива

Для запуска Starship требуется заправить более 4,5 тысяч тонн криогенного топлива. Это как залить две с лишним олимпийских плавательных бассейна. Ясно, что тут не обойтись без специальной инфраструктуры. Orbital Tank Farm (OTF) – так называется комплекс ёмкостей и оборудования, предназначенный для хранения и подачи топлива и других необходимых жидкостей на орбитальных стартовых площадках. Проще говоря, OTF – это огромный «склад топлива» рядом со стартовым столом, откуда ракета заправляется перед полётом.

В резервуарах фермы находится всё, что нужно Starship для полёта:

Жидкий кислород (LOX) – окислитель, составляет большую часть массы топлива;
Жидкий метан (CH₄) – собственно топливо для двигателей Raptor;
Жидкий азот (LN₂) – нейтральный охладитель и газ для субохлаждения (денсификации) топлива, продувки систем и криотестов;

Также рядом с орбитальной башней обслуживания есть отдельная инфраструктура для системы водяной завесы (она же WDS). Там хранится вода необходимая для работы этой системы

OTF в Starbase хранит тонны этих веществ в больших криогенных баках. Первоначально SpaceX изготовила семь вертикальных GSE-резервуаров диаметром ~9 м (они даже собирались по той же технологии, что и корпуса Starship), поместив их в белые цилиндрические изоляционные кожухи (GSE-Shell). Эти вертикальные баки размещались группой возле стартового стола и вмещали жидкий кислород, азот и воду.

Однако со временем компания перешла на более прочные горизонтальные стальные цистерны промышленного типа. Дело в том, что во время первого орбитального теста (апрель 2023) разлетающимися обломками бетона повредило несколько вертикальных кожухов, и было решено заменить их горизонтальными резервуарами большей ёмкости. Общий запас топлива в ферме впечатляет – порядка 4000 тонн жидкого кислорода и 2400 тонн метана, плюс более 2600 тонн азота для охлаждения. Тем не менее, этого хватит лишь примерно на одну полностью заправленную связку Super Heavy + Starship. Иными словами, ферма вмещает топливо только на один старт, после чего её почти полностью придётся пополнять заново. Очень хорошо, что SpaceX научились сливать топливо из ракеты обратно в баки, что помогает избежать длительного переноса в случае возникновения нештатных ситуаций

Помимо самих резервуаров, в состав OTF входит масса трубопроводов, насосов и клапанов. По трубам криогенные жидкости прокладываются от OTF до стартового стола и башни обслуживания. Перед заправкой топливо дополнительно переохлаждается: через специальные теплообменники-субкулеры жидкий метан и кислород прогоняются в окружении охлаждающего жидкого азота. Это позволяет денсифицировать топливо – сделать его холоднее обычной температуры кипения, повысив плотность. Более плотное топливо позволяет заправить бак “под завязку” и тем самым увеличить массу топлива на старте. Первые субкулеры в Starbase не отличались высокой мощностью, из-за чего заправка шла довольно долго. Но SpaceX постепенно модернизировала охладительные модули, что повысило скорость заправки перед пусками. Также на ферме установлен реконденсатор метана – устройство, которое улавливает метановый газ, испаряющийся из резервуаров, возвращая его обратно в жидкое состояние. Этот замкнутый цикл экономит топливо и снижает необходимость сжигать его излишки

Чтобы перекачать топливо из наземных резервуаров в ракеты, используются специальные механизмы – “быстроразъёмные” соединения (Quick Disconnect, QD). На стартовом столе установлена конструкция под названием Booster Quick Disconnect (BQD) – оно подсоединяется к нижней части ускорителя Super Heavy, когда тот установлен на пусковом столе. Через этот порт в ускоритель закачиваются и метан, и кислород, а также подаются газы для наддува и электричество для бортовых систем.

Для второй ступени (корабля Starship) используется отдельный заправочный рукав на башне обслуживания– Ship QD arm (SQD). После стыковки, разъем подключают к нижней части. Таким образом, пока идёт подготовка к пуску, и ускоритель, и корабль прикреплены к башне через свои заправочные магистрали. Непосредственно перед стартом они, конечно, отсоединятся – об этом чуть ниже.

OTF – фактически небольший криогенный завод. Её нужно регулярно пополнять новыми партиями топлива. У SpaceX нет постоянного трубопровода или производства метана на месте, основную часть топлива привозят криоцистерны на грузовиках. Перед крупными испытаниями или запусками к Starbase выстраивается целый «парад» из десятков грузовиков с жидким метаном и кислородом. По оценкам, один полностью заправленный орбитальный запуск Starship «съедает» содержимое более 100 топливовозов, и полная заправка фермы после пуска может занять около недели, что в очередной раз показывает размеры ракеты о которой мы пишем

Процесс заправки Starship на стартовой площадке

Когда инфраструктура подготовлена и резервуары OTF заполнены, приходит время заправлять саму ракету. Рассмотрим по шагам, как это происходит

За несколько часов до планируемого старта начинают подготовку системы к заправке. Первым делом трубопроводы и внутренности баков предварительно охлаждают до криогенных температур. Для этого через магистрали прогоняют небольшое количество жидкого азота или самого топлива. Так система «приучается» к экстремальному холоду, чтобы при основной закачке жидкий кислород и метан не вскипали мгновенно при контакте с теплыми стенками. Можно сказать, что перед большим глотком Starship сначала промочит горло ледяным азотом.

Когда всё готово к приёму топлива, открываются основные клапаны – начинается заправка. Через Booster QD снизу топливо поступает в огромные баки ускорителя Super Heavy, а через Ship QD на башне – в баки корабля Starship. Подача идёт постепенно: сперва в режиме медленной заливки (slow fill) – небольшим напором, чтобы аккуратно остудить и стенки баков. Затем, убедившись, что всё нормально охлаждено, скорость увеличивают до fast fill – быстрой заправки под полным напором насосов. В итоге оба компонента топлива – и LOX, и CH₄ – постепенно занимают свои места в двух ступенях.

В ходе заправки операторы следят, чтобы соотношение компонентов было правильным (метан/кислород примерно 1:3,8 по массе). Баки заполняются практически до 100%, ведь максимальный запас топлива обеспечивает наибольшую дальность полёта. К этому моменту ракета заметно тяжелеет – полная масса «стека» Starship+Super Heavy достигает ~5000 тонн. Система термостатирования продолжает работать: циркуляция азота через субкулеры не прекращается, чтобы компенсировать нагрев и испарение топлива. В этот момент, мы видим густые клубы белого «дыма» – это испаряющийся кислород, который выпускается через клапаны в газообразном виде и мгновенно конденсирует влагу из воздуха. Такие продувки/спуски давления происходят регулярно, пока идёт заправка, чтобы поддерживать нужное давление без избыточного накопления газа.

Когда баки почти полны, заправка переключается в режим топпинга – медленной дозаправки, компенсирующей продолжающееся испарение, чтобы уровни были «под завязку». За несколько минут до старта подача топлива прекращается – наземные магистрали закрывают клапаны. Теперь задача – герметично закрыть баки и довести давление внутри до номинального старта. Starship использует систему автогенного наддува: для поддержания давления он подогревает небольшую часть собственного жидкого метана и кислорода, превращая их в газ и заполняя верхнюю часть баков. Таким образом создаётся необходимое давление без закачки гелия, как в ракетах старого поколения. (Некоторое количество гелия всё же есть в системе – в баллонах COPV – но в основном для питательных систем двигателя и не для наддува топлива).

За 19 минут до старта происходит ещё один важный этап: охлаждение двигателей. Через топливопроводы начинают прокачивать небольшое количество жидкого кислорода прямо через турбонасосы Raptor – это называется захолаживание двигателей. Процедура охлаждает насосы и камеры, чтобы при запуске сверххолодный LOX не ударил по горячим металлам, вызывая резкий перепад температур. Из-за этого в финальные секунды можно наблюдать интенсивное испарение у основания ракеты – прям как будто она «чихает» белым облаком перед рывком в небо.

Сразу после зажигания двигателей система подачи топлива отключается. Booster QD на столе отводится в сторону от ускорителя и закрывается специальным кожухом, чтобы раскалённый выхлоп не повредил коммуникации. Рычаг Ship QD на башне также размыкается и отводится от второй ступени, освобождая корабль. В этот миг ракета полностью автономна, её баки закрыты, насосы поддерживают давление. В доли секунды, пока тяга нарастает, системы заправки уже в безопасном отведённом положении. После этого происходит старт. Starship отрывается от земли. Наземные инженеры облегчённо вздыхают: трудоёмкий процесс заправки прошёл успешно, Starship в воздухе. Дальше – новый этап миссии, а для OTF наступает пора приготовления к следующим тестам

Будущие улучшения OTF

Наземная инфраструктура заправки Starship постоянно дорабатывается, чтобы поддерживать всё более амбициозные планы SpaceX. Во-первых, сама ракета потихоньку эволюционирует: в новых версиях Starship будет увеличен размер топливных баков. Планируется удлинить корабль до ~61 м и довести число двигателей до 9, что само собой повысит ёмкость топливных баков корабля. Ускоритель Super Heavy также «подрастёт» до ~80 м. Это значительное увеличение – а значит, и нагрузка на наземную топливную ферму возрастёт. Возможно, OTF придётся расширять, добавляя новые резервуары или модернизируя насосы для более быстрой заправки

Заключение:

Заправка Starship – это сложнейший процессы техники и инженерии. От гигантских криоцистерн на земле до последних секунд перед взлётом – всё должно сработать идеально, чтобы ракета была успешно заправлена для космического путешествия. Инфраструктура OTF по сути является сердцем стартовой площадки: без неё самая большая и мощная в мире ракета никуда не полетит. SpaceX построила целый топливный комплекс, который успешно справляется со своей задачей, и продолжает его улучшать. Если взглянуть на текущее состояние – каждую неделю в Starbase что-то расширяют, меняют и добавляют трубы. Всё ради того, чтобы однажды заправлять Starship стало настолько рутинно и надёжно, насколько это вообще возможно при работе с тоннами кипящего криогенного топлива. Ведь мечта о полётах на Марс потребует не одного бака топлива – и, похоже, в Starbase уже сейчас строят то самое «межпланетное бензохранилище», с которого начнётся дорога к звёздам.