Как Starship садится на воду и как это влияет на океан

Чтобы оценить экологическое воздействие этих испытаний, важно понять их процесс. Разберём его на примере тринадцатого полёта системы Starship. Из-за различий в аэродинамике и баллистике нижняя ступень (ускоритель) и верхняя ступень (корабль) совершают посадку по-разному.

Различия в траекториях и способах торможения ступеней

После старта первая ступень системы, ускоритель Super Heavy, выполнив свою задачу и разогнав корабль Starship до необходимой скорости, отделяется. Разделение ступеней происходит на высоте около 75 км, после чего бустер разворачивается «хвостом вперёд». Этот маневр выполняется для выдачи т. н. «импульса возвращения». Автоматика включает 3 центральных двигателя вместе с 10 двигателями внутреннего кольца. Они гасят горизонтальную скорость полёта до нуля, а потом и вовсе направляют первую ступень обратно, в сторону расчётного района посадки в Мексиканском заливе.

При входе в плотные слои атмосферы торможение продолжается — уже за счёт трения о воздух. Ускоритель снижается вертикально, двигателями вниз. Чтобы удерживать равновесие и корректировать курс в набегающем потоке, используются три решётчатых руля увеличенной площади (на предыдущих вариантах бустера их было четыре, меньшей площади), расположенных в верхней части корпуса. Стороннему наблюдателю снижение кажется неуправляемым падением, но это не так. На высоте нескольких сотен метров бортовой компьютер включает те же 13 внутренних двигателя, что и при импульсе возвращения. Начинается финальная ракетодинамическая мягкая посадка. Двигатели должны полностью погасить скорость прямо у поверхности воды.

SpaceXСхема тринадцатого полета Starship на инфографике

В тринадцатом испытательном полёте (миссия IFT-13) схема дала сбой. Из-за неполадок в работе кислородных турбонасосов автоматика не смогла запустить все 13 двигателей, как планировалось. Торможение обеспечивали лишь 8 заработавших «Рэпторов». В результате скорость не была погашена полностью. Посадка получилась жёсткой. Ускоритель ударился о воду и разрушился.

Снижение корабля Starship в той же миссии IFT-13 выглядело совершенно иначе. Аппарат вошёл в атмосферу на околоорбитальной скорости (около 7.35 км/сек) под большим углом атаки. Корабль гасил скорость, подставив набегающему воздушному потоку своё днище, закрытое плитками теплозащитного экрана. Балансировать по всем трём осям (тангажу, рысканью и крену) ему помогали четыре независимых подвижных «крыла» — два передних («носовых») и два задних («кормовых»).

Основную кинетическую энергию корабль потерял исключительно за счёт аэродинамического торможения, после чего продолжил падать. Он не двигался подобно самолёту, хотя его траектория была довольно плавной из-за остаточной горизонтальной составляющей. Затем, когда скорость упала до дозвуковой, а высота составила около 500 м, он выполнил маневр переворота. Тут включилась центральная группа «Рэпторов». За счёт качания этих двигателей в карданных подвесах автоматика создала нужный момент и перед самой водой перевела корабль в вертикальное положение.

В ракетно-космической технике термин «мягкая посадка» или «мягкое приводнение» означает только одно: скорость аппарата в последний момент перед касанием поверхности (суши или моря) близка к нулю. В данном испытании посадка считалась успешной независимо от того, что должно было произойти с конструкцией мгновением позже. Из-за огромных размеров, высоко расположенного центра тяжести и значительного объёма пустых топливных баков обе ступени — что бустер, что корабль — не в состоянии удерживать равновесие в вертикальном положении на воде. Они сразу после остановки заваливаются на бок от ударов морских волн.

По утверждению специалистов SpaceX, в миссии IFT-13 космический корабль полностью выполнил свою задачу на этапе возвращения. Он совершил переворот из горизонтального положения в вертикальное, отработал тормозной импульс сначала на трёх двигателях Raptor, затем последовательно перешёл на два и на один двигатель и плавно опустился в Индийском океане. Какое-то время корабль даже держался на воде вертикально, успев передать инженерам важные данные о состоянии теплозащиты, и только потом опрокинулся. Впервые в истории проекта он не разрушился при падении на бок.

Ракетное топливо, химический след, акустика и тепло

Считается что то, как лётные испытания ракетно-космической техники влияют на экологию моря, напрямую зависит от топлива и материалов, из которых сделана ракета. Двигатели огромной системы Starship работают на сжиженном метане и жидком кислороде. Это наносит природе несоизмеримо меньший ущерб, чем использование ракет на токсичном гептиле или тяжёлом керосине.

Если баки разрушаются при ударе или из них намеренно сливают остатки топлива, жидкий метан (который кипит при минус 161,6° С) и жидкий кислород (кипящий при минус 182,9° С), выливаются в воду и бурно кипят, нагреваясь от неё. Они очень быстро испаряются и рассеиваются в атмосфере. Эти газы почти не растворяются в воде, поэтому не оставляют в океане никаких стойких химических загрязнений. Если бы двигатели работали в нормальном режиме до полного расходования компонентов, топливо сгорало бы без остатка, превращаясь лишь в углекислый газ и обычный водяной пар.

Однако идеализировать этот процесс нельзя. При жёсткой посадке и разрушении ускорителя Super Heavy B14 в Мексиканском заливе в воду неминуемо попадают технические жидкости — турбинные масла, смазки приводных механизмов и остатки гидравлических компонентов. Они не испаряются и образуют на поверхности воды масляные плёнки. Следует оговориться: мы не знаем, какие жидкости использует для этого SpaceX (возможно, даже основные компоненты).

Тем не менее, топливо — это не единственный фактор экологического урона. Помимо химического загрязнения воды, спуск огромных ракетных ступеней в океан создаёт целый комплекс скрытых угроз для морской биологии и земной атмосферы.

Серьёзная проблема — экстремальное звуковое воздействие на морских обитателей. При входе в плотные слои атмосферы на сверхзвуковой скорости и ускоритель, и корабль генерируют мощные звуковые удары (характерные звуки мощного хлопка). При контакте с поверхностью океана эта энергия превращается в разрушительный гидроакустический импульс, который распространяется в воде на десятки километров.

Дополнительный шум создают двигатели, работающие на мягкое торможение у самой воды, в последние секунды перед посадкой. Их мощные низкочастотные вибрации способны нанести тяжёлые баротравмы морским млекопитающим, особенно дельфинам и китам. Шум дезориентирует животных, нарушает работу их систем эхолокации и может приводить к выбросу на побережье.

Ещё один скрытый фактор — тепловое воздействие раскалённых элементов конструкции на акваторию. Во время торможения в воздухе днище корабля Starship, покрытое теплозащитным экраном, разогревается до экстремальных температур 1400–1600 °C. При полёте в атмосфере температура снижается, но из-за плохой теплопроводности плиточной защиты, долгое время остаётся на очень высоком уровне.

Когда объект с такой площадью и температурой входит в воду, происходит мгновенное вскипание тонкого пограничного слоя жидкости вокруг обшивки. Однако из-за колоссальной теплоёмкости океана и постоянного движения водных масс этот избыток тепла рассеивается практически мгновенно. Локальный температурный скачок ограничивается объёмом в несколько десятков или сотен кубических метров и затрагивает лишь планктон и мелкие организмы, оказавшиеся в непосредственной близости от корпуса. В масштабах экосистемы такое воздействие бесследно растворяется в океане и не может сколько-нибудь серьёзно подорвать его кормовую базу.

Высотная металлизация, озоновый слой и загрязнение океана

Если при нештатной ситуации конструкции ракеты разрушаются на большой высоте, их обломки частично обгорают в атмосфере, образуя металлическую пыль. Похожий процесс происходит и в природе: ежедневно в атмосфере Земли безвредно сгорает до 100–300 т космических метеоров и пыли.

На этом фоне единичные аварии ракет не могут нанести глобального вреда. Однако учёные из NOAA и NASA обращают внимание на общую тенденцию в космонавтике: из-за планового схода с орбиты тысяч старых спутников в стратосфере начинают накапливаться искусственные аэрозоли металлов. Для системы Starship этот фактор риска минимален. В отличие от обычных спутников, сделанных из алюминия (оксид которого агрессивно разрушает озоновый слой), и бустер и корабль построены из нержавеющей стали. Продукты её окисления — оксиды железа — химически инертны и практически не влияют на озон. Единственным реальным продуктом, способным временно повлиять на формирование серебристых облаков, остаётся обычный водяной пар, выделяющийся при сгорании метана в двигателях.

Основное влияние пусков на гражданскую инфраструктуру носит не столько климатический, сколько логистический и экономический характер. Для обеспечения безопасности во время пусковых окон и снижения ступеней в Мексиканском заливе и Индийском океане временно закрываются определённые зоны морского и воздушного пространства. Гражданские авиакомпании и операторы морских судов вынуждены корректировать свои маршруты, отправляя транспорт в обход этих районов.

SpaceXПриводнение корабля S40 в Индийском океане; вид с дрона.

Такое изменение курса приводит к небольшому увеличению времени в пути и, как следствие, к дополнительному расходу топлива. На фоне ежедневного мирового трафика эти локальные избыточные выбросы углекислого газа ничтожно малы и не влияют на глобальный климат. Однако для транспортных компаний такие обходы оборачиваются прямыми финансовыми убытками, срывом графиков и операционными неудобствами. Именно поэтому американские регуляторы строго оценивают экономические последствия при выдаче лицензий, а SpaceX стремится максимально сузить границы закрытых зон и сократить время их действия.

Когда упавшие фрагменты ракетных ступеней уходят под воду, они опускаются на дно океана. В этих районах дно представляет собой пустынные песчаные равнины. На глубине нескольких километров, в условиях экстремального давления и низкого содержания кислорода, высоколегированная нержавеющая сталь практически не подвержена быстрой деструкции. Процесс её коррозии растягивается на столетия, а выделяемые при этом оксиды железа химически инертны и безвредны для морской среды. Они очень медленно перерабатываются редкими глубоководными железобактериями.

В отличие от мелководья, на такой глубине нет солнечного света, поэтому обломки не могут превратиться в цветущие искусственные рифы и обрасти водорослями. Они просто остаются лежать на дне как металлический лом, не нарушая хрупкий баланс глубоководной экосистемы.

Однако тринадцатый полет Starship изменил привычный сценарий испытаний. Если разрушенный из-за отказа двигателей ускоритель Booster 14 сразу пошёл ко дну в Мексиканском заливе, то корабль Ship 40 продемонстрировал поразительную прочность.

Впервые в истории проекта верхняя ступень совершила настолько мягкое приводнение, что корпус вообще не разрушился. Корабль остался герметичным и превратился в гигантский поплавок, который уже несколько суток дрейфует в Индийском океане, успев уплыть по течению более чем на 160 км от места посадки. Пока рядом дежурит спасательное судно GO Australis, этот дрейф наглядно доказывает, что стальная конструкция способна долго сопротивляться агрессивной морской воде, вообще не уходя на дно до тех пор, пока инженеры не примут решение о её контролируемом затоплении или буксировке.

Тем не менее, именно из-за скрытых факторов — в первую очередь жёсткого гидроакустического фона (шум двигателей) — SpaceX стремится как можно скорее завершить океанские тесты. Оставлять элементы в воде, даже временно, означает безвозвратно терять дорогостоящие двигатели Raptor и бортовую электронику. После окончательной отладки систем автоматической посадки компания полностью исключит контакт техники с водой. Ускоритель и корабль будут возвращаться непосредственно на «Мехазиллу», где их улавливание выполнят механические манипуляторы башни обслуживания.

Фото SpaceX