От Луны до Марса: что известно о Starship/Super Heavy — самой мощной космической системе в истории

От разработки концепции до материального воплощения прошло целых 17 лет. Еще в 2005 году Илон Маск после успешного запуска первой ракеты Falcon 1 сообщил, что его компания готова спроектировать ракету большой грузоподъемности. Для ее обозначения глава SpaceX использовал аббревиатуру BFR (Big Falcon Rocket), она задумывалась как часть транспортной инфраструктуры для колонизации Луны и Марса.

В 2010 году SpaceX впервые объявила о разработке таких носителей. По своим характеристикам они были сравнимы с американской сверхтяжелой ракетой «Сатурн», которая использовалась для полетов на Луну, в том числе для пилотируемой экспедиции «Аполлона-11» в 1969-м. Кроме того, фирма сообщила, что разрабатывает двигатели Merlin 2, предназначенные для первых ступеней этих ракет. Верхние же ступени планировалось оснастить силовым агрегатом Raptor, который изначально использовал топливную пару жидкий водород — жидкий кислород.

В 2015 году Маск представил детали проекта Mars Colonial Transporter — космического корабля, работающего на метан-кислородных двигателях Raptor. Первые испытания компонентов этой силовой установки начались в 2014-м, а запущена она была спустя два года. В 2017-м гендиректор SpaceX официально представил доработанную концепцию BFR на 68-м Международном конгрессе по астронавтике. Основной целью было создание полностью многоразовой ракеты, способной перевозить до 100 человек. Годом позже ракету и корабль переименовали в Starship Super Heavy.

Тяжелая ракетная система Starship высотой 120 метров и весом 5 тыс. тонн состоит из двух частей: ракеты-носителя Super Heavy высотой 70 метров в качестве первой ступени и космического корабля Starship — это вторая ступень, ее высота более 50 метров. Взлет осуществляется 33 двигателями Raptor, которые сжигают тонны жидкого кислорода и жидкого метана, чтобы вывести корабль на околоземную орбиту. Корабль Starship оснащен 6 двигателями Raptor - 3 из них работают в атмосфере, 3 других способны работать в космосе. На сегодняшний день эта система является самой большой по массе и размерам, а также самой грузоподъемной в истории.  

Первая ступень — Super Heavy — способна доставить на низкую околоземную орбиту груз весом 150 тонн и вернуться в заданную точку на поверхности. Ее минимальный ресурс — не менее 100 полетов. Вторая ступень — космический корабль Starship — разработана с перспективой на дозаправку на орбите и для пилотируемых полетов к Луне и Марсу.

Чтобы преодолеть силу притяжения Земли, да еще и с большим грузом, который необходим для проведения дальнейших маневров в космосе, кораблям требуется очень много топлива. Именно поэтому ракетная система получилась такой большой. В 50-метровом Starship помещается 1,2 тыс. тонн топлива, система жизнеобеспечения, каюты, склады и даже укрытия от солнечных штормов.

Впрочем, как полагает Маск, одно из главных достоинств Super Heavy в том, что она предназначена для многоразового использования — в будущем это позволит сократить затраты на вывод грузов в космос в 100 раз.

Для поэтапной отработки всех узлов корабля инженеры SpaceX планировали построить порядка 20 прототипов. В каждый следующий должны были вноситься улучшения по результатам тестов с текущим прототипом (предполагалось, что все они будут утрачены в ходе испытаний). В конце 2018 года компания представила первый прототип для наземных испытаний, известный как Starhopper. Спустя год он успешно выполнил прыжковый тест, доказав способность к мягкой автоматической посадке.

После серии тестов с Starhopper детище Илона Маска перешло к более амбициозным прототипам, включая SN1-SN4, которые были разрушены во время различных испытаний. Корабли SN5 и SN6 успешно выполнили небольшие прыжковые тесты, поднявшись на высоту около 150 метров. Серия SN8-SN11 показала значительные улучшения, включая переход от горизонтального положения при снижении к вертикальному непосредственно перед посадкой. Первым же прототипом, успешно выполнившим в мае 2021 года высотный взлет и приземление, стал SN15.

Разработка ракеты-носителя Super Heavy велась параллельно со Starship, а ее первые статические огневые испытания стартовали в 2021 году. Основной целью было проверить возможность использования десятков двигателей Raptor одновременно. Летом этого года SpaceX попыталась осуществить прожиг всех 33 двигателей Raptor на последнем прототипе Starship (бортовой номер 25), но тестирование пришлось прервать из-за нештатного выключения четырех агрегатов.

Вторая попытка состоялась в конце того же месяца, и компанию, наконец, ждал успех: первая ступень зажгла все 33 двигателя, и 31 из них проработали до окончания теста — этого достаточно, чтобы система Starship оторвалась от стартового стола и вывела многоразовый корабль на высоту разделения ступеней.

Для возвращения на Землю корабль сначала будет входить в атмосферу носом вперед, используя аэродинамическое торможение для снижения скорости, затем будет идти этап планирования к точке посадки. Непосредственно перед посадкой — на высоте менее 1 км — корабль займет вертикальное положение и включит три центральных двигателя Raptor, чтобы погасить скорость снижения и выполнить мягкую посадку на посадочные опоры.

Как и действующие ракеты SpaceX, Starship и Super Heavy будут приземляться на специальные площадки. Причем инженеры намереваются сажать разгонный блок прямиком в «Мезахиллу» — 140-метровую башню с механизированной рукой, которая будет использоваться для того, чтобы «поймать» ускоритель при приземлении. Super Heavy не может делать этого самостоятельно, поскольку у него отсутствуют посадочные опоры.

В ракетах-носителях традиционно используются алюминиевые сплавы с добавлением магния, однако данный состав не подходит для осуществления задумки SpaceX по приземлению системы на посадочные опоры — алюминий будет слишком сильно нагреваться. Поэтому разработчики выполнили корпус корабля Starship из нержавеющей стали, что многие эксперты посчитали довольно неожиданным и спорным решением.

Такой материал отличается устойчивостью к коррозии и способностью сохранять прочность при высоких температурах. Также сталь относительно недорога и легка в производстве. Помимо этого, на Starship устанавливают керамические плитки, которые должны защитить его от перегрева при вхождении из космоса в атмосферу.

Точные суммы, которые Маск тратит на разработку Starship и Super Heavy, редко раскрываются публично. Однако в мае стало известно, что с 2014 года SpaceX инвестировала более $3 млрд в разработку стартового комплекса в Бока-Чика и систему запуска Starship Super Heavy. Тогда же сообщалось, что до конца 2023 года компания потратит еще $2 млрд на Starship и модернизацию стартовой инфраструктуры. Сам Маск упоминал, что стоимость разработки могла достичь $10 млрд.

По его словам, стоимость проекта может варьироваться в зависимости от различных факторов, включая технические задержки и увеличение общей сложности задумки, включая строительство прототипов, улучшение дизайна и доработки конструкции. В 2019 году Маск признался, что SpaceX тратит на проект Starship приблизительно $2 млрд в год.

На сегодняшний день состоялось два испытательных полета тяжелой ракетной системы Starship и Super Heavy. Первый запуск прошел 20 апреля 2023 года: ракете удалось оторваться от стартового стола, но на высоте 39 километров она потеряла устойчивость и стала кувыркаться. Специалисты попытались дистанционно ее подорвать в начале третьей минуты полета, но сигнал прошел только спустя полторы минуты, когда счетчик отсчитал четыре минуты с момента старта.

В результате и корабль, и ракета-носитель были уничтожены над Мексиканским заливом. Позднее в SpaceX выпустили отчет, в котором причиной сбоя называлась утечка топлива из Super Heavy — именно она разорвала связь с основным бортовым компьютером Starship.

Второй тестовый пуск 18 ноября 2023 года завершился также неудачно, хотя полет корабля продлился гораздо дольше — более восьми минут. После отделения от Starship ракета-носитель  начала выполнять маневр возврата к условной точке запуска, для этого ей нужно было запустить часть отключившихся в момент разделения двигателей. Выполнить эту задачу Super Heavy не удалось — после второй попытки продуть топливные каналы в зоне двигателей начался пожар, пошло разрушение конструкции и система автоматического уничтожения взорвала носитель.

Корабль Starship, включив в момент разделения собственные двигатели, достиг космоса, поднявшись на высоту 148 км. Однако через 8 минут и 8 секунд с момента старта система автоматического прерывания полета его уничтожила. По предварительным данным, непосредственно перед этим все двигатели корабля отключились, а связь с ним командного центра SpaceX была потеряна. В момент уничтожения Starship достиг скорости 24 124 км/час.

Несмотря на неудачу, система во время второго запуска прошла через три ключевых этапа: зажигание двигателей и отрыв, прохождение точки MAX-Q (момент максимальной динамической нагрузки) и «горячую» расстыковку ступеней, которая была выполнена успешно с первой попытки.

По словам Маска, по результатам первого неудачного запуска компания внесла «более тысячи» изменений в систему Starship/Super Heavy. Особое внимание инженеры уделили системе разделения корабля и ускорителя, пояснив, что оба элемента модернизируются для их «горячей» расстыковки во время следующих полетов. Такой метод отделения первой и второй ступени предполагает, что двигатели корабля Starship включатся, когда он будет еще пристыкован к ускорителю, а сама расстыковка произойдет спустя пару секунд.

Поэтому для защиты от теплового удара на вершину Super Heavy установили дополнительный переходный отсек с тепловым экраном и множеством сквозных отверстий по периметру — через них будет происходить газоотведение от включившихся двигателей корабля. Кроме того, была добавлена новая электронная система управления вектором тяги (TVC) для силовых агрегатов. «Я думаю, что вероятность того, что этот следующий пуск пройдет успешно и ракета выйдет на орбиту, намного выше, чем в предыдущий раз. Может быть, около 60%», — прогнозировал Илон Маск незадолго до второго пуска.

Тяжелая ракетная система предназначена главным образом для перевозки грузов и экипажей на Марс и к Луне. На Международном конгрессе по астронавтике (IAC-2023) в Баку гендиректор SpaceX заявил, что компании потребуется «три-четыре года» на совершение первой посадки на Марс. По его словам, орбиты Земли и Марса примерно раз в 26 месяцев «занимают необходимое положение», открывая тем самым окно для отправки космического аппарата к планете.

Кстати говоря, к идее заселения других планет Маск был неравнодушен с самого начала: он неоднократно подчеркивал, что все текущие достижения компании — это лишь промежуточные шаги, предпринимаемые для колонизации Красной планеты.

Что же касается Луны, то 30 апреля 2020 года NASA в рамках программы «Артемида» выбрала SpaceX в числе одного из подрядчиков для разработки систем высадки людей на спутник Земли в 2025 году. С этой целью фирма разрабатывает еще один вариант Starship — пилотируемый лунный посадочный модуль Starship Human Landing System (HLS), который сможет доставлять на Луну грузы весом более 100 тонн. Кроме того, ожидается, что корабль будет способен перевозить экипаж с низкой околоземной орбиты на окололунную станцию Gateway.

Еще одно возможное применение ракетной системы — перелеты по маршруту Земля — Земля. Илон Маск относится к идее таких путешествий положительно, отмечая низкую стоимость топлива для них. По его словам, Starship сможет добраться из Лос-Анджелеса в Сидней «примерно за 20 минут». «Такой полет будет полностью управляться в автоматическом режиме, устраняя необходимость в пилоте. Для перелетов Земля — Земля даже не понадобятся туалетные комнаты, так как полет в среднем будет занимать всего полчаса», — шутил Маск.

Помимо масштабных миссий, система пригодна и для выполнения рутинных задач, например, доставить припасы на Международную космическую станцию (МКС) или вывести на орбиту спутники, межпланетные станции или телескопы практически любой массы. С этой целью инженеры SpaceX намерены разработать новую версию Starship, оптимизированную для использования в качестве танкера, что позволит осуществлять дозаправку других космических кораблей прямо на орбите. Не исключено, что в будущем Starship сможет использоваться и в качестве космической станции, вместо МКС, допускал ранее Маск.    

«Объем обтекателя Starship составляет около 1000 кубических метров, что примерно сопоставимо с объемом Международной космической станции. В нем можно делать то же, что и на космической станции. При этом в грузовой версии под него войдет телескоп, диаметр которого в три раза превышает диаметр телескопа “Хаббл”», — рассуждал миллиардер на IAC-2023.  

В начале февраля 2022 года гендиректор SpaceX оценил, что один коммерческий запуск Starship в течение двух-трех лет будет стоить менее $10 млн. При этом повторный полет обойдется примерно в $1 млн. Это довольно дешево, учитывая, что в прайс-листе фирмы пуск ракеты Falcon 9 в марте 2022-го стоил $67 млн, и к настоящему времени эта цена не изменилась.