SpaceX поймала огромную ракету. Что дальше?

Спойлер: компании еще предстоит проделать огромный объем работы, чтобы достичь Луны.

28.10.2024, Эрик Бергер, arstechnica.com

Ошеломляющий и потрясающий захват ракеты Starship в начале этого месяца двумя механическими руками ознаменовал значительный шаг вперед в усилиях SpaceX по изменению отношений человечества с небесами.

Но каким бы замечательным ни был захват ракеты, он представляет собой лишь один шаг на длинном пути. SpaceX стремится сделать запуск дешевым, частым и надежным с помощью Starship, и компания работает над тем, чтобы наступил день, когда ракеты будут регулярно захватываться стартовой башней и устанавливаться обратно на пусковое устройство, заправляться и снова запускаться в течение нескольких часов. SpaceX заявляет, что эти усилия однажды увенчаются посадкой Starship на Луну и Марс.

Критики архитектуры Starship говорят, что она неэффективна из-за массовой дозаправки, которая должна происходить на низкой околоземной орбите, чтобы космический корабль мог куда-либо отправиться. Например, полная заправка Starship, который может высадить людей на Луну и вернуть их на лунную орбиту, может потребовать дюжины или более рейсов заправщиков. Но это кажется глупо непрактичным только в рамках старой космической парадигмы, в которой запуск дорог, редок и ненадежен. Такая критика становится менее заметной, если мы представим, что SpaceX достигнет точки запуска дюжины Starship в неделю или больше через несколько лет.

Захват сверхтяжелого ускорителя 13 октября на объекте компании Starbase в Южном Техасе приближает нас к такой более высокой скорости полетов. Он подтвердил дикую концепцию стартовой башни, которая не только поддерживает ракету перед стартом, но и имеет средства, чтобы захватить ее через несколько минут. Еще два года назад эта идея казалась нелепой, но теперь это не так. SpaceX доказала, что ее титаническому ускорителю не нужны громоздкие посадочные опоры, и он может исключить дни обработки, которые в противном случае потребовались бы для перемещения приземлившейся ракеты обратно на стартовую площадку. Меньшая масса и более короткие обороты - огромные победы для Starship.

Так что же дальше?

Мы попытались собрать воедино основные этапы и основные цели программы Starship на ближайшие несколько лет, прежде чем она откроет возможность высадки людей на Луну для программы NASA Artemis и начнет демонстрационные полеты на Марс. Ради интереса мы также включили некоторые предполагаемые даты для каждого из этих этапов. Они представляют собой наши лучшие догадки, и они почти наверняка неверны.

Повторное включение Raptor в полете (конец 2024, начало 2025)

На сегодняшний день верхняя ступень Starship еще не летала по орбитальной траектории. Вместо этого вторая ступень была потеряна во время первых трех полетов, прежде чем совершила контролируемый вход в атмосферу над Индийским океаном во время четвертого и пятого испытательных полетов, включая запуск в начале этого месяца.

Основная причина, по которой Starship не вышел на орбиту и не совершил несколько полетов вокруг планеты, заключается в том, что SpaceX (и Федеральное управление гражданской авиации) хотят быть уверены, что корабль будет благополучно доставлен на Землю и приземлится в отдаленном районе океана. Starship очень большой, и падение кусков корабля на землю, особенно населенную, будет иметь катастрофические последствия. Чтобы осуществить контролируемый вход в атмосферу, SpaceX должна продемонстрировать способность повторно запускать двигатели Raptor ракеты в космосе для точного схода с орбиты.

Во время третьего испытательного полета Starship в марте 2024 года SpaceX изначально планировала провести повторный запуск одного или нескольких двигателей Raptor в полете, но эта попытка была прервана, поскольку корабль вышел из-под контроля. В последних двух испытательных полетах SpaceX не пыталась провести испытание Raptor, поскольку инженерные группы сосредоточились на улучшении возможностей входа в атмосферу второй ступени.

Однако SpaceX может попытаться запустить один или несколько двигателей Raptor во время шестого испытательного полета или вскоре после него. Успешное выполнение этой задачи позволит компании начать орбитальные миссии с помощью Starship и, вероятно, откроет путь для запусков Starlink, возможно, уже в первой половине следующего года. Это будут более крупные спутники Starlink, которые могут поместиться только в емкую полезную нагрузку Starship и обеспечат возможность прямого доступа в Интернет через сотовую сеть.

SpaceX уже провела огневой тест верхней ступени Starship (известной как Ship 31) для этого шестого испытательного полета, а на прошлой неделе она выкатила первую ступень Super Heavy (Booster 13) на стартовую площадку для статического огневого испытания. С точки зрения контролирующего органа и состояния оборудования старт этого испытательного полета в ноябре вполне возможен.

Возвращение Starship на твердую землю (середина-конец 2025)

В пятом испытательном полете в этом месяце SpaceX продемонстрировала способность посадить верхнюю ступень Starship в целевом районе Индийского океана. Мы знаем это, потому что компания установила камеру на заранее установленном буе, чтобы отслеживать вход ракеты в атмосферу, а затем опубликовала отснятый материал.

Возможность точной посадки Starship открывает возможность возвращения Starship на землю. Основатель SpaceX Илон Маск упомянул о «поимке» Starship в первой половине 2025 года, предположительно, с помощью башни в Южном Техасе. (Компания не близка к завершению строительства вышек для запуска и поимки где-либо еще в мире). Однако нормативные вопросы, связанные с поимкой Starship на объекте Starbase в Южном Техасе, мягко говоря, интересны.

В отличие от сверхтяжелого ускорителя, который летит над Мексиканским заливом и получает зеленый свет на возвращение на прибрежную стартовую площадку только за несколько секунд до попытки посадки, Starship обязательно пролетит над Мексикой (вероятно, недалеко от густонаселенного города Монтеррей) и Техасом по пути к Starbase. В SpaceX должны быть уверены, что большие части космического корабля не отвалятся при возвращении над сушей.

По этой причине SpaceX может попытаться сначала вертикально посадить Starship в другом месте. Ходили слухи о партнерстве с Австралией, и один источник сообщил Ars, что SpaceX разведывала атолл Джонстон в Тихом океане в начале этого года. Такие места позволят более безопасно вернуть Starship на посадочную площадку. Однако такой подход также потребует посадочных опор.

В будущем SpaceX, несомненно, построит несколько версий Starship. «Танкеры», используемые для доставки топлива в большой склад на низкой околоземной орбите, не будут иметь ног, поскольку им придется лететь обратно в Техас или Флориду, чтобы попасть на вышки. Но чтобы сесть на Луне или Марсе, SpaceX в конечном итоге придется добавить опоры к ракете.

Вопрос в том, возьмется ли SpaceX за этот проект по разработке опор сейчас, чтобы провести посадочные испытания, или отложит его и проберется через регуляторные дебри, чтобы обеспечить ловлю Starship в Южном Техасе. Возможно, окончательное решение еще не принято.

Демонстрация перемещения HLS с опорами (конец 2025)

Это следующая большая веха для NASA, которое с нетерпением ждет разработки Starship «Human Landing System» для содействия плану Artemis для Луны. Публично космическое агентство придерживается даты высадки своего первого экипажа Artemis на поверхность Луны в сентябре 2026 года. Чтобы достичь этой даты, представители NASA ранее сообщили Ars, что SpaceX необходимо провести испытание по перекачке топлива в течение первого квартала 2025 года.

Мы не ожидаем, что это произойдет, поскольку перед проведением этого испытания необходимо выполнить большой объем подготовительной работы.

Для демонстрации передачи топлива SpaceX запустит «цель» Starship на низкую околоземную орбиту, за которой будет следовать «преследователь» Starship. Затем корабли встретятся в космосе, состыкуются, и в беспрецедентном космическом балете преследователь передаст значительное количество криогенного топлива в целевой корабль. Наконец, корабли расстыкуются, и каждый из них выполнит запуск двигателей для схода с орбиты.

Реализация этой демонстрационной миссии, по-видимому, потребует завершения строительства второй стартовой башни в Южном Техасе для запуска преследователя. Кроме того, SpaceX должна построить и испытать стыковочные механизмы, быстроразъемные соединения, навигационные датчики и двигатели на горячем газе.

SpaceX работает быстро и, несомненно, продвигается вперед во многих из этих областей в фоновом режиме. Однако у компании пока нет точной даты для теста. Два источника сообщили Ars, что компания нацеливается на «следующий год» для теста, так что, если смотреть оптимистично, то, возможно, нам еще год до того, что, безусловно, станет обязательным к просмотру по ТВ. Независимо от результата теста, вполне вероятно, что SpaceX проведет несколько версий этого теста для оптимизации процедур.

Повторный запуск первой ступени сверхтяжелой ракеты (начало 2026)

SpaceX уже восстановила ступень ускорителя своей ракеты Starship, и не может быть никаких сомнений в том, что инженеры получают невероятно ценные данные о производительности корабля и износе оборудования. Этот ускоритель больше не полетит, но одна из первых ступеней, пойманная в ближайшие месяцы, вполне может полететь во второй раз.

После ракетной поимки в этом месяце Маск прокомментировал в своей социальной сети X, что есть «большая вероятность того, что Starship достигнет полной возможности повторного использования в 2025 году, что является критическим прорывом, необходимым для того, чтобы сделать жизнь многопланетной». Это подразумевает, что компания хочет повторно запустить и ускоритель, и верхнюю ступень в следующем году, но график кажется оптимистичным, особенно для верхней ступени Starship.

История может дать несколько лучших подсказок относительно того, чего ожидать. Прошло чуть больше 15 месяцев между первой посадкой ракеты Falcon 9 в декабре 2015 года и последующим повторным использованием первой ступени в марте 2017 года. Срочность выше в случае со Starship, и у компании гораздо больше ресурсов. В то же время, Super Heavy - это значительно более крупный и сложный аппарат, чем ракета Falcon 9. Я бы ожидал, что SpaceX не будет торопиться с полным тестированием разгонной ступени, прежде чем вернуть ее на стартовую башню, тем самым ограничивая риски для своей наземной инфраструктуры.

SpaceX также быстро совершенствует конструкцию своих ускорителей, поэтому сегодняшние корабли, которые она приземляет, могут оказаться не теми, которые она хочет повторно запускать, предпочитая использовать улучшенные модели. По этим причинам повторный полет Super Heavy, вероятно, состоится не раньше, чем через год.

Наземные системы и жидкий кислород

Мы не устанавливаем дату этого, так как это будет происходить постепенно с течением времени. Однако подготовка пути для частых запусков Starship представляет собой значительное препятствие на ближайшие пару лет.

Маск сказал, что изначально SpaceX планирует построить две стартовые башни в Южном Техасе и две во Флориде. Предположительно, это базовая наземная инфраструктура, необходимая для поддержки программы Artemis и многочисленных дозаправочных полетов, необходимых для обеспечения посадки на Луну. SpaceX еще предстоит обработать множество документов для этого, в виде работы с Космическими силами США во Флориде и согласования экологических отчетов с Федеральным управлением гражданской авиации для строительства этих четырех башен и достижения высокой частоты запусков.

Еще одна важная, но недооцененная проблема - это топливо. На старте только ускоритель Super Heavy несет массу 7,5 миллионов фунтов (3400 метрических тонн) криогенного топлива. Starship требуется примерно втрое меньше. Звучит как очень много, потому что так оно и есть. Жидкий кислород составляет значительную часть этого, и каждый запуск наносит серьезный удар по производству жидкого кислорода в США, который используется различными клиентами, включая больницы.

Другими словами, запуск четырех ракет Starship в один день израсходует все имеющиеся в стране запасы жидкого кислорода на этот день. Соответственно, SpaceX должна найти способ масштабировать производство жидкого кислорода и обеспечить огромные поставки как в Южный Техас, так и на свои будущие пусковые установки Starship во Флориде.

Длительные летные испытания (конец 2026)

NASA неизменно включало эту веху в свой график системы посадки человека на Луну с тех пор, как в августе 2021 года были опубликованы первые версии графика. (В то время испытание по перекачке топлива должно было состояться в четвертом квартале 2022 года, а длительное летное испытание - примерно на шесть месяцев позже, так что мы отстаем примерно на три года).

Хотя космическое агентство предоставило мало подробностей, этот длительный тест, вероятно, призван продемонстрировать способность корабля Starship находиться вблизи Луны.

Это необходимо, поскольку в рамках первоначальных миссий Artemis астронавты NASA будут запускаться внутри космического корабля Orion и встретятся со Starship на лунной орбите через несколько дней. Из-за возможных погодных и технических задержек запуска ракеты NASA Space Launch System, Starship должен находиться на лунной орбите до 100 дней в ожидании прибытия экипажа. В течение этого времени корабль должен автономно оставаться в пригодном для жизни состоянии и не допускать значительного испарения жидкого кислорода и метанового топлива.

Вероятно, после этого летного испытания NASA и SpaceX завершат разработку проекта «лунного» корабля Starship.

Беспилотная посадка на Луну (начало-середина 2027)

Это будет самым критическим испытанием Starship перед тем, как может состояться посадка на Луну. Во время этого полета полностью заправленный Starship покинет низкую околоземную орбиту и отправится на Луну. Там, через определенный промежуток времени, ему будет разрешено попытаться совершить вертикальную посадку вблизи Южного полюса Луны.

С такой посадкой связано множество проблем, но одной из самых существенных является вероятность опрокидывания. Starship нужна достаточно ровная поверхность, чтобы гарантировать, что корабль не опрокинется. (Один источник сообщил Ars, что лунная поверхность должна быть в пределах 1,5 градуса от идеально ровной). Эта миссия, скорее всего, будет перевозить груз, который будет выгружен для проверки «лифта», на котором астронавты будут ездить внутри, чтобы спуститься на поверхность Луны.

После нескольких дней на поверхности Starship приступит к самой важной части своей миссии - подъему с поверхности Луны. Лунный модуль Apollo использовал хранимое гиперголическое ракетное топливо Aerozine 50 и азотный тетраоксид, которые не нужно было хранить при криогенных температурах, как метан и жидкий кислород. Задача Starship заключается в том, что он должен стартовать с поверхности Луны без башни или какого-либо наземного вспомогательного оборудования. Это станет лакмусовой бумажкой для жизнеспособности Starship в качестве лунного посадочного модуля.

В зависимости от успешности этого испытательного полета SpaceX и NASA могут счесть необходимым повторить его перед миссией по высадке на Луну Artemis III.

Посадка экипажа (сентябрь 2028)

Если все пойдет хорошо, NASA сможет выполнить первоначальное обещание программы Artemis и высадить двух астронавтов на поверхность Луны в 2028 году. Это на два года позже текущей цели NASA в сентябре 2026 года, но все равно будет представлять собой титаническую задачу для SpaceX и космического агентства. Если возникнут существенные неудачи, такие как неудачные захваты башни или неполадки во время заправки в космосе, программа, несомненно, столкнется с новыми задержками.

Естественно, некоторые люди могут задаться вопросом, почему SpaceX и NASA вкладывают столько усилий в сложный лунный посадочный модуль, когда лунный модуль, разработанный и использовавшийся в 1960-х годах, был намного проще. Это справедливый вопрос. Ответ таков: как и остальное оборудование, использовавшееся в программе Apollo, мощная ракета Saturn V, космический корабль Apollo и лунный модуль расходовались после единственного использования. Полеты на «Аполлонах» быстро стали не по карману Соединенным Штатам.

Главной целью NASA является устойчивое возвращение на Луну. Для этого необходимо повторное использование ключевых элементов архитектуры. Более того, программа Apollo не имела возможности доставлять крупные единицы оборудования на Луну. Даже если бы лунный модуль был перепрофилирован только для перевозки грузов, его максимальная грузоподъемность составила бы около 5 тонн. Одноразовый Starship сможет перевозить поразительные 200 тонн внутри своего обтекателя полезной нагрузки на поверхность Луны.

Если мы сделаем это правильно, у США действительно может быть потрясающая лунная программа. Но это потребует много тяжелой работы на начальном этапе. К счастью, Маск задействовал все ресурсы SpaceX в этом проекте. Впервые в истории компании - на протяжении которой Маск всегда был безжалостно экономически эффективен - SpaceX больше не ограничена финансированием. Еще предстоит долгий путь, чтобы раскрыть потенциал Starship, но инженеры SpaceX работают так быстро, как только могут.

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)

Оригинал: SpaceX has caught a massive rocket. So what’s next?