• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
31.03.2023
Николай Цыгикало
10
6 888

Starship: проверка орбитальной баллистикой уже не за горами

6.3

Первые испытания Starship должны быть проведены уже в апреле. Первый испытательный пуск всегда — terra incognita. Здесь же предстоит испытание космической системы новой архитектуры и масштаба. Starship — носитель рекордной массы и размеров, и его посадочная схема совершенно непривычна и никогда не реализовывалась. Как пройдет первый испытательный пуск, из чего он складывается? Naked Science подробно разбирает для вас планируемые полетные ситуации.

Ракета Starship в сборе на стартовом комплексе в Starbase, Бока-Чика. / ©SpaceX
Ракета Starship в сборе на стартовом комплексе в Starbase, Бока-Чика / ©SpaceX / Автор: Наталья Федосеева

Полетная схема предстоящего запуска

Сценарий будущего испытания одновременно и понятен, и своеобразен. Вот его ключевые этапы: запуск, посадка пустой первой ступени, выход на низкую опорную орбиту, выполнение на ней почти полного оборота, торможение с переходом к посадке и посадка на воду. В схеме полета скомбинированы и отработанные в разное время решения, и совершенно новые элементы, выполняемые впервые. Все это делает предстоящее испытание весьма интересным, а его исход непредсказуемым.

Запуск носителя рекордной массы и размеров будет выполняться со стартового комплекса орбитальной стартовой площадки на базе Starbase компании SpaceX на берегу Мексиканского залива, район Бока-Чика, Техас, США. Этот пуск станет и первой проверкой стартового устройства. Полет после старта вряд ли будет необычным до разделения ступеней (170 секунд после старта, параметры движения при разделении неизвестны). После него первая ступень Super Heavy зайдет на посадку и приземлится в воду Мексиканского залива.

Starship продолжит разгон и набор высоты до выхода на круговую низкую опорную орбиту. Азимут пуска планируется порядка 100-110 градусов, что даст небольшое наклонение орбиты. Трасса, ее наземная проекция, пройдет к востоку-юго-востоку между Флоридой и Кубой, далее спускаясь к экватору, огибая южное полушарие и поднимаясь обратно в северное. Завершая виток, Starship подойдет с северо-запада к району посадки. После тормозного импульса он снизится и спустится в атмосфере до места приводнения, находящегося в океане в 100 километрах к северо-западу от острова Кауаи, самого северного острова Гавайского архипелага.

Схема полета в целом понятна, но детали в основном неизвестны: ни дальность, скорость, перегрузка, высота, ни подробности конструкций. Основания и логика выбора решений, если они не объяснены создателями, остаются лишь нашими догадками. Кроме того, до сих пор время от времени всплывает новая информация, уточняющая или меняющая детали картины. Поскольку ни у кого, и у нас в том числе, нет точных и надежных данных, то мы хотим взглянуть с разных ракурсов на предстоящую испытательную работу без абсолютных утверждений и однозначных оценок.

Одни элементы планируемого пуска легко угадываются в прошлом, другие выполняются впервые. И все они имеют разные оценки, вплоть до остро дискутируемых

Орбита ли орбита, если окружность не закрыта?

Дискуссии начинаются уже с того, является ли вообще орбитальный участок испытательного полета Starship полноценной орбитой, если не будет полного оборота. С точки зрения динамики полета не важно, сколько времени или километров аппарат пролетел по орбите, достаточно ли для зачета. Важно состояние орбитального движения — оно определяет, движется ли аппарат по орбите, и по какой. Практика космических полетов на добрую половину состоит из случаев неполного оборота по орбите. Например, к таким случаям относится использование низких опорных орбит. Опорной называется орбита, занятая для перехода с нее на другую в нужный момент. Их обычная высота в России круглые 200 километров, в США 185 километров (круглые 100 миль). Среди всех рабочих орбит здесь и скорость полета самая высокая, и плотность атмосферы (ниже плотность атмосферы еще больше — но орбиты уже неустойчивые), поэтому аэродинамическое торможение ощутимое.

Здесь часто нет смысла делать полный виток — после него местная баллистическая ситуация обычно повторяется: снова те же точки орбиты, высота и скорость. Не делают виток и на переходных орбитах между начальной и целевой орбитами — достаточно самого перехода. Геопереходные орбиты для выхода на геостационарную орбиту используются без полного витка. Это и опорные орбиты, по которым доезжают до следующего включения двигателя, формирующего из этой точки нужный эллипс переходной орбиты: например, нужно просто сместиться от экватора до полюса за четверть оборота для достижения заданной географической точки включения двигателя. InSight запускали на Марс впервые с полярной орбиты. В качестве опорной он прошел по ней из Вандерберга в Калифорнии на юг до Антарктиды и тамошнего полярного второго включения «Центавра» для перехода на гиперболическую траекторию. Свой дальнейший перелет к Марсу InSight тоже сделал без полного витка вокруг Солнца, а только до встречи с Марсом.

Именно состояние движения по орбите и представляет интерес — оно дает возможность проверить управление полетом и работу систем в невесомости. Последнюю можно «получить» и на суборбитальной траектории, но на ней не будет отработки полной энергии орбитального запуска. Вдруг на скорости 7,7 километра в секунду, перед выходом на орбиту, что-то окажется не так? А суборбитальные скорости — пониже. И тогда режим полета в диапазоне между суборбитальной и орбитальной скоростью останется непроверенным.

Похожие полеты полвека назад

Близким баллистическим аналогом предстоящего испытания Starship были полеты ракеты Р-36орб, индекс 8К69. Эта боевая ракета формально входила в тип межконтинентальных и выводила головную часть на низкую околоземную орбиту. Головная часть 8Ф021 была единственной в своем роде: и боевой, и орбитальной; а сама ракета, таким образом, единственной боевой ракетой-носителем.

Вопреки расхожим представлениям, головная часть Р-36орб не базировалась на орбите. Это нерационально, ведь орбиту быстро не повернуть в пространстве так, чтобы ее трасса оперативно прошла через наземную точку цели. При орбитальном базировании ожидание прохода головной части до цели может составлять до одного периода обращения (если головная часть уже прошла цель, оставив ее позади) — то есть до полутора часов. Что не так оперативно, как 30-50-минутный полет межконтинентальной ракеты.

Ракета Р-36орб запускалась с боевой стартовой позиции непосредственно в ходе нанесения удара, как обычная боевая ракета. Выход головной части на низкую опорную орбиту — боевую орбиту — позволял продлевать ее путь до противоположной точки Земли. Дальше, в общем, и не стоит, тогда цель уже окажется ближе, но с другой стороны; проще именить азимут пуска на 180 градусов, уменьшив полетное время. Орбитальная скорость больше суборбитальных, поэтому орбитальная головная часть дойдет до цели быстрее обычных боеголовок, и с ростом дальности этот выигрыш будет все больше. Для разгона до орбитальной скорости массу головной части ограничили 1700 килограммами.

Орбитальная головная часть 8Ф021 ракеты Р-36орб. Слева спускаемая часть ДЗ-2, то есть сама боеголовка с боевой частью. Справа тормозная ступень 8Ф673 и ее схематичное устройство. Видно большую степень расширения сопла двигателя РД-854, предназначенного для работы в космосе. И характерные широкие пустотные раструбы сопел стабилизации по тангажу и рысканию, работавших при торможении главным двигателем / ©Kosmonavtika.com.

Неизвестность точки схода с орбиты (момента времени и величины тормозного импульса) не дает прогнозировать район падения с этой орбиты, как это можно сделать по обычной баллистической траектории. Возможен и полет по длинной траектории с выполнением более половины витка: с заходом на территорию вероятного противника со стороны слабой защищенности цели, с направления Антарктиды, например. Но такая длинная трасса даст и долгое полетное время с возможной дискуссионностью боевого выигрыша.

После выхода на орбиту головная часть Р-36орб функционировала как орбитальный космический аппарат. Помимо боевой части (термоядерного заряда с блоком управления) на борту была инерциальная система управления полетом, с подсистемами ориентации и стабилизации. В дополнении к ней текущая высота изменялась радиовысотомером в начале и конце орбитального участка. По измеряемым данным рассчитывался тормозной импульс и время работы двигательной установки, входившей в состав тормозной ступени головной части.

Корпус тормозной ступени 8Ф673 орбитальной головной части 8Ф021 ракеты Р-36орб. Сверху него пристыковывалась боеголовка с термоядерной боевой частью и прочими ее системами. / ©Vk.com

Подходя к району цели она покидала опорную орбиту, «только не вверх, а вниз» (А. Макаревич). Проводился разворот двигателем вперед и выдача тормозного импульса, переводившего головную часть на суборбитальную траекторию с перигеем глубоко под Землей и точкой пересечения поверхности в районе цели. После чего шел баллистический вход в атмосферу, как у обычной межконтинентальной ракеты.

Ракета Р-36орб начала испытательные полеты в декабре 1965 года, 58 лет назад. После трех лет летных испытаний (четыре аварийных пуска, 15 успешных — типовая картина для испытаний любых представителей семейства Р-36) ракетный комплекс был принят на вооружение. Он стоял на боевом дежурстве до 1983 года, с которого 40 лет назад был снят в соответствии с договором об ограничении стратегических вооружений ОСВ-2. Таким образом, схема полета Р-36орб — весьма близкий аналог предстоящего полета Starship с его одним неполным оборотом на низкой опорной орбите. Ощутимое различие может быть лишь в части входа в атмосферу с ее аэродинамикой. Тут эстафету аналогов по движению в верхних частях атмосферы может перехватить орбитальный корабль «Спейс Шаттл», а в нижнем гиперзвуке и сверхзвуковом режиме экспериментальный Х-15.

Спуск и торможение в атмосфере

Сверхзвуковые аппараты размера Starship не летали в верхней стратосфере и на гиперзвуковых режимах. Длина-размах-масса (метры-метры-тонны) у Starship составляет 50-18-250. Шаттл, например, с его 37-24-86, был покороче и полегче. А Ту-160 с его 54-36-250 летал только на сверхзвуковой скорости в нижней стратосфере. С точки зрения гиперзвуковых особенностей формы у Starship нет ничего нового, это цилиндр с обтекателем оживальной формы. Такая форма повторяет хорошо облетанный (199 полетов с измерениями) корпус экспериментального Х-15, с близкой геометрией и обводами носовой части.

Сравнение формы Starship и Х-15, коллаж / ©Николай Цыгикало

Вполне возможно, что Маск взял для Starship не только геометрию его корпуса, но и элементы сверхзвуковой и гиперзвуковой аэродинамики. Не случайно задние крылья Starship по форме похожи на вертикальные хвостовые кили Х-15, максимально приспособленные к гиперзвуку. Такой выбор подобия с уже известными корпусом и килями повышает надежность решения и экономит время и затраты на испытания: эта форма уже облётана в двух сотнях испытательных полетов. С полными и достоверными данными, в разных сверхзвуковых и гиперзвуковых режимах и условиях полета.

Гиперзвуковой участок был бы любопытен в подробностях. «Шаттл», скажем, входил в атмосферу днищем поперек потока. В этой ориентации возникало первое гиперзвуковое обтекание, со значениями числа Маха уровня 20 и выше. Хотя температура сжатого потока на днище достигала тысяч градусов, он был еще слишком неплотным и не обжигал. Ведь обгорание — не следствие одной только самой температуры, но в большей степени теплового потока. Последний создается веществом горячего сжатого газа: чем больше горячего вещества (и тепла) в кубическом сантиметре, тем сильнее этот кубический сантиметр вещества греет, а с ростом температуры и светит.

В силу сильной начальной разреженности воздуха даже его сжатие на порядки в ударной волне (именно она плотно обтягивает днище, возникая на нем и прилипая к нему) не делает сжатый поток очень плотным, хоть и горячим. Здесь реализуются температуры, близкие к температуре полного торможения потока — температуре остановленного газа, вся энергия движения которого перешла бы в сжатие и нагрев.

Но тепловой поток в днище еще мал, как и достигаемая плотность. Давление сжатого воздуха на днище при такой плотности тоже еще невелико. Зато большой площадью дна и крыла его усилия можно собрать в растущую силу аэродинамического сопротивления. Так силовой эффект обтекания проявляется раньше, чем температурный. Проще говоря, давить поток начинает раньше, чем обжигать.

Это начальное торможение в верхних слоях рационально использовать любым системам входа. И Starship вероятно, будет входить в атмосферу поперек скорости по «шаттловской» схеме. Его корпус и крылья облеплены шестиугольниками теплозащитной плитки снизу доверху — достаточно, чтобы перенести поджаривание в любом ракурсе обдува гиперзвуковым потоком.

Вход Starship в атмосферу (здесь — Марса) с большим углом атаки / ©SpaceX

Со снижением и ростом плотности воздуха его максимальное сжатие уже не требуется и приводит к чрезмерным силам и разогреву. Начальный этап поперечного торможения сменится острым (сначала большим) углом атаки, уменьшающимся с ростом плотности воздуха.

По крайней мере, так изображен вход в атмосферу на сайте SpaceX: от парашютирования к аэродинамическому полету, с растянутым снижением и постепенным торможением через гиперзвуковой диапазон до сверхзвуковых скоростей. Будет ли Starship выписывать горизонтальные S-образные фигуры, как «Шаттл», постепенно снижая в них скорость? Можно просто встать в вираж (горизонтальный полет с креном по окружности) с той же перегрузкой, что и на изгибах полетной фигуры «Шаттла»; она определит интенсивность торможения. И затем спокойно дожидаемся на вираже снижения скорости до любой требуемой. На среднем сверхзвуке затем выходим из виража на дальнейшее снижение с переходом к дозвуковой скорости. Сверхзвуковой этап будет больше похож на полеты Х-15, чем тупоносого «Шаттла», никак не приспособленного к сверхзвуковым скоростям.

Торможение до «дозвука» произойдет быстро и без особых эффектов. Далее ожидается переход к тому вертикальному падению, который отработан предыдущими испытаниями Starship. Техника такой посадки была много раз продемонстрирована, и подробно разбиралась нами («Starship — тропою летных испытаний»).

Оставшаяся от полета железка (если что-то останется, конечно), плюхнувшаяся в воду, будет только конечным слепком событий, и лишь с некоторыми следами происходившего. При хорошей телеметрии нет нужды восстанавливать события по оставшейся конструкции, все происходившее и так плотно измерено по факту прямо в процессе полета, включая текущие изображения из нужных мест внутри и снаружи аппарата. Железка тут уже не нужна, разве что на память.

Помните испытания знаменитого гиперзвукового Х-43А? Это был передовой аппарат, впервые выполнивший такие полеты, перешагнувший рубеж, впервые развивший и прочее. Так вот — его просто бросали в океане, не утруждаясь поисками, потому что все происходившее точно измерялось и передавалось телеметрией на землю для регистрации (записи).

С другой стороны, если Starship приводнится штатно, не покореженным и не потерявшим целостность, то эта огромная пустая цистерна вряд ли потонет. Его не нужно будет разыскивать в океане, как иголку в стоге сена, опыт слежения за приводнением своих кораблей у SpaceX достаточный. Вряд ли будет трудной задачей поднять Starship на борт судна — даже при его больших габаритах, зато с пустыми баками, он будет не слишком тяжелым. И, чем черт не шутит, тогда можно будет повозиться с его восстановлением для следующего полета. Как будут развиваться события в этой части, покажут только сами события.

Приводнение космического корабля Crew Dragon компании SpaceX с экипажем в Мексиканском заливе у побережья США / ©NASA.

У приводнения есть еще один важный аспект. Посадка Starship на бетонную площадку уже отработана до этапа «первой успешной». А вот посадка на воду Starship, любым образом, была бы интересным экспериментом.

В практике полетов могут случиться аварийные пуски, когда первая ступень отработала не полностью, и эллипс падения придется на площадку в океане.

Или, допустим, такая же аварийная ситуация случится со Starship. Посадка на воду покажет, что будет происходить дальше. Из этого можно разрабатывать решения для случаев приводнения. И, возможно, первый испытательный полет, после успешного выхода Starship на орбиту, далее имитирует и исследует ситуацию его падения в воду. Маск любит уплотнять события, и такой дальновидный вариант вполне в его духе. А записанное приводнение может много раз оказаться полезным в будущем.

Район посадки и измерительные мощности

Посадка около Гавайев также имеет свой специфический привкус. Вход в атмосферу остается совершенно непроверенным этапом полета с максимальными нагрузками на конструкцию. В случае разрушения обломки не нанесут вреда объектам земной поверхности, упав в отдаленной части океана. Совпадение ли, что район падения боеголовок при пусках межконтинентальных ракет из России на максимальную дальность тоже лежит возле Гавайев, к северо-западу от них? Траектории при таких пусках проходят сначала над измерительными комплексами Камчатки, выполняющими эту боевую работу, а затем в близком поле зрения американских измерительных средств.

В западной части Алеутской дуги на американском острове Шемия находится большая измерительная база, построенная для участия в советских испытаниях ракет. Разумеется, данные о движении и сигнатурах (радиолокационных особенностях) боеголовок собирались и собираются ею не в рамках партнерства, а в разведывательных интересах США. Главный «глаз» базы — огромная радиолокационная станция с фазированной антенной решеткой из 35 тысяч элементов, называемая «Кобра Дэйн» (AN / FPS-108. COBRA DANE), проходящая периодическую модернизацию.

Она может измерить и движение Starship, полет которого будет проходить в ее левом секторе поля зрения и рабочей дальности. Также с аэродрома базы могут взлететь самолеты RC-135S, специализированные для телеметрической работы. Впрочем, такое использование военного и разведывательного федерального оборудования для планируемого испытания Starship лишь предположение, не подтвержденное прямой информацией. Но заметим, что взаимодействие Маска с военными ракетными полигонами — давнее и плодотворное. Неспроста он запускал свой первый космический носитель Falcon 1 с острова атолла Кваджалейн — главного принимающего (боеголовки межконтинентальных ракет) полигона США, набитого под завязку измерительной аппаратурой (мы рассказывали о нем в материале «Баллистика над Кваджалейном»). Там же расположены и стартовые площадки для разных типов противоракет, входящие в испытательный комплекс противоракетной обороны имени Рональда Рейгана.

Контрольно-измерительный комплекс, который используется для испытаний, широко не обнародован. Но чем измерения мощнее (частота опроса датчиков и многоканальность), точнее и вернее, тем лучше. Поэтому измерительные комплексы космодромов или ракетных полигонов несопоставимы с системами попроще, и обратиться к ним было бы разумно. Вместе с тем успешный запуск на орбиту сделает базу в Техасе тоже космодромом. Старт и посадка первой ступени (как и выведение на орбиту) должны наблюдаться и траекторщиками, и телеметрией (о ее работе при испытаниях наш рассказ «Случай на 14-м измерительном пункте»). Поэтому стартовая позиция должна сопровождаться измерительными системами.

Девятиметровая антенна S-диапазона радиотелеметрической системы для слежения за «Шаттлами» при небольшом удалении цели (при запуске и посадке). Сейчас размещена на
Starbase / ©Wikimedia

Несколько лет назад на Starbase перевезли две девятиметровые антенны радиотелеметрической станции слежения за запуском и посадкой «Шаттлов», которые сейчас работают во время запуска из Флориды пилотируемых Crew Dragon. Информации о средствах траекторных измерений пока нет. Интересно было бы узнать, какая измерительная техника обеспечивает данные этого пуска. Тем более что полеты планируется продолжать, при любом исходе первого теста. Измерения необходимы также потому, что их потребует и федеральное авиационное агентство FAA.

Посадка Super Heavy: упрощенка первого полета

После разделения нижняя ступень опишет в пространстве большую аэрокосмическую петлю вертикального развития, повторяющую использованную в десятках запусков посадочную петлю первой ступени Falcon 9. Хотя эту петлю Super Heavy никогда еще не выполняла, сотня успешных посадок ее младшей сестры от Falcon 9 говорит о достаточной отработке и баллистики, и аэродинамики такой петли. Те же четыре решетчатых аэродинамических руля в верхней части Super Heavy говорят о том же алгоритме управления. Финиш в нижней части петли закончится приземлением на воду в 32 километрах от берега и стартово-посадочной башни.

Проверять в первом полете сразу и заход первой ступени на посадку, и ее приземление рискованно. В случае аварийного приземления башня может оказаться разрушенной. Поэтому в первом полете будет проверяться только заход ступени на посадку в точку с заданными координатами. В случае, если это сделать не получится, возле точки приземления будет достаточный круг воды для падения с отклонениями. А успешный заход в нужную точку откроет путь для испытания приземления на башню. И хотя в первом полете оно не запланировано, взглянем на планируемую систему приземления на башню MechaZilla, которая станет стартово-посадочной башней, единственной в своем роде.

Заход Super Heavy на посадку / ©SpaceX

С одной стороны, эта посадочная схема непривычна и никогда не реализовывалась раньше в виде технической системы и реальных посадках. С другой стороны, Маску не откажешь в умении создавать посадочные системы нового типа. Недавно первая ступень Falcon 9 перешагнула сотую подряд успешную посадку. До первой вертикальной посадки на раскрывающиеся опоры скептицизма было более чем достаточно; это здоровый скептицизм, и он нам всем необходим. Сейчас ситуация похожая, и о приземлении первой ступени пока мало данных, кроме общих черт башни MechaZilla и мультиков с ней. Как и об остатках топлива в ступени на момент приземления, и скорости при касании опор. Неизвестна вся динамика приземления.

Однако ничего невыполнимого в схеме приземления Super Heavy нет, это главным образом вопрос управления движением ступени. При определенной его точности ступень могла бы зависнуть в воздухе на время подведения опор. Но небольшая ошибка в управлении, которая будет всегда, может дать небольшую остаточную скорость, с которой ступень опустится на опоры. И тут возникает вопрос: чем обеспечивается точность пространственного положения ступени? Ориентация в пространстве и стабилизация на малой предпосадочной скорости возле башни — это наверняка реактивные системы, которым нужно отрабатывать команды энергично и быстро, с хорошим тяговым усилием.

Контролировать положение центра масс и оси ракеты относительно башни и ее лап можно с помощью местной системы, смонтированной на башне и ступени. Например, тысяча датчиков типа парктроников на стартово-посадочной башне даст точный, до сантиметра, слепок положения ступени относительно башни. Далее нужны решения по точности управления посадочной тягой и работа датчиков контакта с измерением нарастающего давления Super Heavy на опоры башни до полного затухания динамики.

Подвеска ракеты на опорах за верхнюю часть практикуется для МБР шахтного базирования. Точнее, за выступы на верхней части подвешивается капсула с ракетой, опирающаяся на силовое кольцо вверху шахты. Между шахтой и подвешенной капсулой везде, и с боков, и снизу, остается свободное пространство порядка метра. При близком наземном (или в грунте) ядерном взрыве сейсмическая волна вызовет резкие колебания грунта с большой амплитудой смещения, до полуметра и более. На эти полметра грунт сдвигается с большой скоростью. Чтобы такой непреодолимый удар сейсмического молота не смял ракету, ее отдаляют от стенок и дна шахтного стакана.

Но ударная волна может отразиться раньше и ниже от более прочных гранитов, и прийти к шахте наклонно снизу. Толчок грунта по вертикали тоже будет, и передастся на шахтное опорное кольцо. Оно сделано так, что амортизирует толчок в определенных пределах. Небольшой толчок может пропускаться на подвешенную капсулу с ракетой; но какой? Его оценка и есть та же задача определения допустимой посадочной скорости для ступени: с какой силой и скоростью ступень ткнется в опоры башни без последствий для обоих.

Стартово-посадочная башня MechaZilla / ©NASA

Поэтому, приземляясь на опоры, ступень (как и капсула с шахтной МБР) испытает встряхивание, а с ним растягивающую нагрузку. Если бы этот толчок пришелся по низу ступени, нагрузка была бы сжимающей — как у первой ступени Falcon 9, у которой посадочные опоры внизу. Почему для Super Heavy выбрали подвешивание за верхнюю часть? Чем растягивающая нагрузка лучше сжимающей?

Известно, что при сжатии конструкция теряет устойчивость при гораздо меньшей силе, чем при растяжении. И хотя взлетный вес, свой и Starship, и растущие перегрузки нагружают ступень изрядным сжатием, у приземления пустой ступени могут быть свои моменты. Например, в наполненном баке вес топлива создает внизу давление, растягивающее бак в стороны и повышающее его устойчивость, как у налитого мешка или надутого шарика. А при посадочном толчке с минимумом топлива сжатие стенки (без подкрепления изнутри давлением топлива) может приближаться к сминающему. Впрочем, это лишь версии; точные обоснования выбора такой конструкции пока остаются в стенах SpaceX.

Аварийность сверхтяжелых машин

Каким получится первое приземление по такой схеме, и чем оно закончится, покажут дальнейшие испытания. Если, конечно, дело до них дойдет. Испытания всегда неизвестность, даже для новых модификаций ракеты, летавшей ранее.

Аварийность сверхтяжелых ракет низкая, вероятно, в силу их большой стоимости и более высоких затрат на предполетные проверки. Все полеты американской Saturn-V стали успешными, как и советской «Энергии», и пять на сегодня полетов Falcon Heavy. А все четыре полета советской Н-1 стали аварийными, сказалась спешка политической гонки в космосе.

Запуск сверхтяжелой ракеты Falcon Heavy со стартового комплекса LC-39А, Космический центр имени Кеннеди, Флорида, США / ©SpaceX

Маск не участвует в гонке, он просто не хочет терять время. И летные испытания Starship отличаются от всех предыдущих сверхтяжелых систем серией отдельных испытаний второй ступени комплекса. В них Starship не только научился приземлению, но и в полной мере собрал свой аварийный урожай. Размыв границы понятия «аварийные летные испытания», раньше относившегося только к полету сверхтяжелой ракеты целиком.

Зная любовь Маска к эмпирическому пути и движению вперед через краш-тесты, можно ли предположить степень надежности подготовки к первому летному испытанию всей ракеты? Вряд ли в этот раз намеренно готовится большой краш-тест. Неизвестны и детали позиции FAA, дающего разрешение на испытания. По любым авариям оно заставляет проделывать «большую работу по выявлению и недопущению». Вместе с тем даже при аварийном пуске мощная многоканальная телеметрия поможет детально разобраться, откуда и как развивалось дерево отказов, и улучшить следующую конструкцию или алгоритмы управления.

Опыт создания безаварийной (для продолжающих летать всегда «пока безаварийной») сверхтяжелой ракеты у Маска есть, его Falcon Heavy обошелся без краш-тестов. Успешные испытания самый лучший, быстрый и экономичный путь создания техники. Поэтому и со Starship Маск, вероятнее всего, попробует повторить свой успешный опыт, если это позволит сделать его новая ракета с более сложным полетом. Первый пуск может еще переноситься не раз, но нет сомнений, что он состоится. И, возможно, совсем скоро многие из наших вопросов получат ответы. Какими они будут, посмотрим после полета.

Дополнение 1

Оценим, даже из скудной информации полетной схемы, как заправские баллистики, каким будет виток, полным или неполным. Координаты Starbase 25°59′29″ северной широты 97°11′01″ западной долготы. Координаты Кауаи 22°4’12” северной широты 159°30’0″ западной долготы. Поскольку наклонение орбиты будет небольшим, можно, например, оценить по долготам. Разница долготы старта и цели составляет, как видим, 62 градуса. Орбита при запуске фиксируется в пространстве относительно звезд, словно заливается бетоном; она практически не меняет своего положения в пространстве за первые несколько оборотов. Земля под ней проворачивается своим суточным вращением.

Оборот Земли за сутки — это 15 градусов за час. Полный виток спутника на низкой орбите занимает полтора часа (грубо). Значит, за этот виток Земля прокрутится под орбитой на 22,5 градуса. И на столько же сократит «разность долготы» между стартом и целью — проще говоря, протащит точку будущего падения к востоку на 22,5 градуса за полтора часа полетного времени. Остальную разницу 62 – 22,5 = 39,5 градуса, возьмем 40 градусов (с учетом недолета 100 километров до Кауаи, это почти градус) должен закрыть сам спутник своим движением по орбите до замыкания полного пространственного витка. А Starship эти 40 градусов не пролетит: он пройдет в итоге не 360 градусов долготы, как в любом замкнутом витке, а на 40 градусов меньше. Это недолет по долготе до полного витка на 40/360, или одну девятую витка.

Кроме того, орбита начинается не на старте. Обычно выход на опорную орбиту происходит на ортодромной дальности от старта порядка 300-400 километров. Это при небольшом наклонении витка три-четыре градуса, то есть еще три градуса без орбитального полета. Итого 43/360 = 0,12, одной восьмой полного оборота нету. Можно учесть и то, что финиш заканчивается не на орбитальной скорости. Путь в атмосфере составит сотни километров, как у «Шаттла», это еще минус градусы из орбиты. Далее уточнения и поправки начинают множиться, но примерный вывод понятен: полного оборота по орбите не выходит. Вместе с тем понятно, что орбитальный полет будет занимать основную часть витка, позволив отработать функционирование на орбите.

Дополнение 2

Среди всех четырех безаварийных сверхтяжелых ракет больше полетов у «Сатурна-5», их 12, включая первые испытательные. Но если детальнее, то «Сатурн-5» испытывал в своем составе две первые ступени. А третья уже была облетана в трех успешных пусках «Сатурна-1В» за предыдущий год в качестве его второй ступени. Во второй ступени «Сатурна-5» были и летавшие двигатели от этой ступени J-2. Сам корпус второй ступени спроектировать не так трудно, подход и материалы облетаны на третьей ступени. Чем больше успешно облетанного, тем лучше. А новые увеличенные бочки под топливо сделать не сложно.  Поэтому главным объектом испытаний была первая ступень, с другим топливом и нелетавшими двигателями.

Похожая ситуация и со Starship, со степенью облетанности второй ступени, самого корабля. Его двигатели отработаны в полетах, как и посадка с высоты 10 километров. Испытывается первая ступень, но ее траектория для посадки и аэродинамическая схема управления отработаны Falcon 9. Соотношение летало / не летало, в составе конструкции и полетных схемах (если задать его правило и точно подсчитать) лежит в близких значениях для «Сатурна-5» и Starship.

Второй полет «Сатурна-5», последний беспилотный «Аполлон-6», был на грани полной аварии. Первую ступень затрясло продольно с выходом тряски за допустимые значения. Этим изрядно расшатало или разворотило начинку второй ступени, которая при работе стала отказывать. Сначала отказали два двигателя (из пяти), потом у третьего упала тяга на две с половиной тонны. В итоге «Аполлон» не вышел на целевую высокоэллиптическую орбиту, по которой должен был затем снижаться с ускорением и разгоном двигателем для входа в атмосферу со второй космической скоростью.

Именно съезд с «высокой горки» позволял разогнаться до такой скорости. Но при пуске дотянули только до низкой опорной орбиты. Двигатель третьей ступени для выхода на горку не включился (отказ), «Аполлон» своим двигателем разогнался до высоты 22 тысячи километров, и какую-то программу полета доделал, однако не достиг плановой скорости входа в атмосферу. Продлись тряска на пару десятков секунд (каждая следующая секунда растряски наносит вреда больше предыдущей секунды из-за роста подвижности элементов конструкции) или вырасти чуть посильнее, и выйти на орбиту не удалось бы.

А в первом спуске тряски не было. Сейчас проверка на подобные ситуации будет у Super Heavy. В полете всегда что-то происходит не так, разовьются ли отказы до серьезного уровня? Воспринимать безаварийность «Сатурна-5» стоит в правильном ракурсе — с учетом степени облетанности элементов ракеты в ее первом пуске. И с учетом предаварийных полетных ситуаций, приводивших к серьезному перекрою полетной программы и недостижению целей полета.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Позавчера, 14:04
Андрей

Китайские палеонтологи обнаружили образцы самых больших моллюсков, живших после Великого вымирания. Их гигантский размер говорит о том, что брюхоногие интенсивнее и быстрее восстановились в росте после массовой гибели. До этого подобные свидетельства находили в ладинском ярусе, а сейчас в анизийском.

Вчера, 11:27
Александр Березин

Глава подразделения NASA по системам исследования Луны объяснила ранее неизвестное публике условие для высадки людей на спутнике Земли в сентябре 2026 года. Скептики оценили это заявление как стремление Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США переложить ответственность за срыв сроков лунной высадки на кого-то еще.

Сегодня, 11:12
Александр Березин

Нынешняя версия крупнейшего носителя SpaceX вдвое мощнее «Сатурна-5», самой мощной ракеты прошлого. Однако документ Федерального управления гражданской авиации США показал, что Илон Маск планирует серьезно нарастить разрыв. Попутно у его ракеты значительно увеличится количество двигателей в обеих ступенях, в итоге она станет выше высочайшей пирамиды на земле.

10 июня
Александр Березин

Исследователи из США выяснили, что примерно два миллиона лет назад Солнечная система захватила хвост облака холодного межзвездного газа. В результате гелиосфера сильно сжалась, дав галактическим лучам свободно облучать все планеты системы. Это должно было вызвать и серьезные проблемы с климатом.

Позавчера, 14:04
Андрей

Китайские палеонтологи обнаружили образцы самых больших моллюсков, живших после Великого вымирания. Их гигантский размер говорит о том, что брюхоногие интенсивнее и быстрее восстановились в росте после массовой гибели. До этого подобные свидетельства находили в ладинском ярусе, а сейчас в анизийском.

8 июня
Михаил Орлов

Переселение позвоночных из воды в наземно-воздушную среду жизни стало поворотным моментом в истории биосферы. Однако этот эволюционный скачок имел и серьезные побочные эффекты: он привел к потере способности восстанавливать потерянные части тела рептилиями, птицами и млекопитающими. В новой статье биологи рассмотрели генетические и эволюционные аспекты освоения суши и выяснили, что резкое ослабление регенерации стало своеобразной «расплатой» за адаптации животных к другой среде.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

24 мая
Игорь Байдов

С помощью космических и наземных телескопов международная команда астрономов открыла похожий на нашу планету мир в так называемой зоне обитаемости, позволяющей воде существовать на поверхности тела в жидком состоянии. По космическим меркам экзопланета находится достаточно близко к Земле и, вероятно, представляет собой скалистый мир с благоприятным для жизни климатом. Подобные миры астрономы открывают крайне редко.

27 мая
Андрей

Европейские гляциологи, используя первые снимки Восточной Антарктиды 1937 года, а также фотографии середины XX века и современные спутниковые данные, отследили, как менялись ледники в этом регионе на протяжении 85 лет.

[miniorange_social_login]

Комментарии

10 Комментариев

-
1
+
Николай, огромное спасибо за статью. Вы всегда очень подробно и доходчиво рассказываете про такие "вещи" ,которые на первый взгляд кажутся скучными. Но оказывается, вон сколько всего интересного кроется в деталях.
Отличная статья! Спасибо.
Masyanya Masyanya
31.03.2023
-
1
+
Спасибо за увлекательную и длинную статью!Всегда с большим удовольствием читаю ваши материалы.
    Спасибо. Практика испытательной работы сопровождается массой интересных наблюдений, что по метеоусловиям измерительных пунктов, что по баллистике испытуемых изделий.) Жалко, что нет Гоголя или Булгакова, чтобы описать происходящие иной раз события во время испытательных работ.
Affidavit Donda
31.03.2023
-
1
+
Спасибо за интересную и познавательную статью!
Serjo Djachkowski
31.03.2023
-
0
+
Наверное нижняя ступень 1 нормально отработает, а сам корабль Starship нет будут проблемы с зажиганием метанового двигателя в вакууме (Terran 1, и китайская ракета на метане, у всех нормально отработала 1 ступень а проблемы были со второй). Все двигатели тестировались в атмосфере но не в вакууме. Какая то проблема со срывом пламени из-за разной скорости истечения. При давлении в 1 атмосферу воздух как бы подпирает и создаёт сопротивление, а в вакууме скорость истечения выше, но повторюсь это проблема с метановыми двигателями.

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: