Starship — тропою летных испытаний

Starship. Портрет в набросках

В названиях своих изделий SpaceX допускает некоторое смешение, поэтому стоит определиться, что есть что. Собственно Starship — космический корабль многократного использования и одновременно вторая ступень ракетной космической системы Starship. Помимо корабля, в ракету входит первая ступень, называемая Super Heavy.

Геометрически корпус корабля Starship представляет собой цилиндр длиной 50 метров и диаметром девять метров (по размерам соответствуя ракете-носителю «Союз» с головной частью). Передняя часть заострена оживальной формой. Четыре коротких подвижных крыла, действующих независимо, как ласты плезиозавров и плиозавров, расположены попарно в носовой и хвостовой частях корпуса. Двигательная установка образована шестью двигателями Raptor на жидких метане и кислороде. Три центральных двигателя оптимизированы для работы на малой высоте при полном давлении атмосферы, поэтому называются Raptor Sea-level. Они способны значительно изменять величину своей тяги и на своем подвижном подвесе могут согласованно, быстро и значительно отклоняться в различные положения, создавая управляющие моменты.

Ближе к краям корпуса находятся три высотных двигателя Raptor Vacuum, оптимизированные для работы в пустоте и поэтому имеющие широкие сопла с большой степенью расширения. У прототипов, испытываемых сейчас, эти двигатели отсутствуют.

Что тестируют сейчас на испытательных площадках Бока-Чика и в техасском небе над ними? Упрощенные версии Starship. Как правильно назвать или классифицировать эту «упрощенку»?

Есть макеты, обычно массово-габаритные — ММГ (макет массово-габаритный). Это нефункционирующие изделия, повторяющие геометрию и массовые параметры оригинала. Есть прототипы — работающие модели, выполняющие основные функции (или отдельную функцию) в общих чертах, примерно. Есть опытные образцы, более усложненные прототипы, между которыми часто не делают серьезных различий. Есть демонстраторы технологий. Есть лабораторные образцы, которые тоже выполняют основную функцию либо какую-то вспомогательную (иные лабораторные образцы могут вести огонь и выполнять перехваты). Есть куча предсерийных градаций, опытных, технологических (например, лафетопробный образец) и экспериментальных образцов. Не стоит ломать копья в поисках точных определений: назовем летающие изделия, испытываемые в Бока-Чика, просто прототипами.

SpaceX в своей программе создания ракеты изготовляет множество прототипов для той или иной фазы испытаний и постепенно усложняемых. Одновременно несколько прототипов находятся на разных стадиях изготовления и нумеруются согласно назначенной последовательности их испытаний. Два последних летных испытания похожих прототипов с похожим полетом и результатами называли SN8 и SN9. Прототип SN10 уже стоит на стартовой площадке, но дата его испытаний неизвестна.

На дно воздушного океана, или Полет стального Пегаса

Недавние пуски прототипов SN8 и SN9 продемонстрировали необычное (для летающей в атмосфере ракетной техники) снижение Starship в плотных слоях атмосферы — падение плашмя. Сила лобового сопротивления потока пропорциональна не только плотности воздуха и квадрату скорости падения, но и площади аппарата поперек потока — площади силуэта, который «виден» потоку. У сигарообразного тела наибольшая площадь будет при расположении корпуса поперек потока. Так снимается максимум атмосферного сопротивления — и именно его хотят оседлать инженеры SpaceX. Так падает сквозь воздух парашютист: при падении плашмя его скорость наименьшая. У SN8 и SN9 скорость падения достигала максимума порядка 150 метров в секунду, быстро уменьшаясь по мере снижения, и на последних километрах составляла небольшие 80-70 метров в секунду.

Задача парашютиста — падать стабильно и ровно относительно горизонта. Если напрячь руки и ноги, стараясь раздвинуть их сильнее в потоке, скорость падения замедляется. Если расслабиться, поток сразу обожмет конечности ближе к телу, и падающий ускорится вниз, проваливаясь относительно круга парящих соседей. Подобрав руки, но растопырив ноги, парашютист получит провал передней части тела и в результате наклон тела головой ниже горизонта, отрицательный тангаж. А с ним и скольжение вперед, планирование. Парашютист, уходя вниз, полетит и горизонтально относительно ровно падающих соседей, отлетит вбок от одного и подлетит к другому.

Такую работу управляющих органов показали и недавние испытания прототипов Starship. Его четыре управляемых крыла в падении плашмя аэродинамически аналогичны конечностям парашютиста. Их движение необычно. В отличие от привычных элеронов и закрылков, ось отклонения которых перпендикулярна фюзеляжу, эти крылья складываются ближе к корпусу или отходят от него. Ось их вращения лежит вдоль поверхности фюзеляжа.

Складывая крылья как ласты моржа или плавники рыб, ближе к корпусу, или разворачивая шире, Starship управляет своим падением в нижних слоях атмосферы. Сильнее сложив носовые крылья, он получает проваливание/наклон корпуса вперед под горизонт и планирование, скольжение с горизонтальным смещением. Складывая носовые крылья в разной степени, одно больше другого, Starship может поворачиваться вправо или влево относительно горизонта — менять курс. А поджимая сильнее оба крыла на одном борту, переднее и заднее, можно менять крен — наклон набок.

Набор этих возможностей позволяет Starship управлять своим движением и приводить посадку в цель — центр площадки. Что и продемонстрировали испытания прототипов SN8 и SN9. Это аэродинамическая система наведения, то есть совмещения линии траектории с точкой цели, возле которой должны сработать двигатели, регулирующие скорость приземления. Для чего весь Starship повторно запускает два из трех двигателей и оперативно разворачивается на небольшой высоте соплами вниз.

Управляющие крылья такого типа, складывающиеся с фюзеляжем и раскрывающиеся короткими плавниками, до сих пор не использовали. Для этих органов управления нет пока специального названия, отражающего их образ действия. Местами их уже называют «Илонронами» — по аналогии с элеронами. В новостных сюжетах говорят «закрылки», но закрылок — совсем другое. Это отклоняемая и выдвигаемая задняя кромка крыла, в случае выдвигающихся закрылков уходящая «за крыло». Родственниками (не самыми близкими) аэроплавников Starship могут выступать отклоняемые щитки на хвостовой юбке головных частей межконтинентальных баллистических ракет.

Такие же неблизкие родственники и щитки аэродинамических тормозов сверхзвуковых истребителей в хвостовой части самолета, в виде парных лопухов оттопыривающиеся гидроцилиндрами от фюзеляжа в поток. Раскрывающийся в поток лопух тормоза принимает возникшую силу сопротивления от обтекающего потока.

В авиации вообще много управления через увеличение площади обтекаемого силуэта — от раскрывающихся законцовок крыльев Су-25 для управления по курсу до любых интерцепторов, вплоть до посадочных «расщеплений крыла» В-2 и интерцепторов крыла пассажирских самолетов, работу которых мы видим через иллюминатор при каждом посадочном пробеге самолета. Но все они располагаются на консолях крыла. Локальное управляемое затруднение поперечного обтекания корпуса в авиации неизвестно. В авиации нет поперечного обтекания корпуса вне аварийных ситуаций.

Управление планированием путем контроля угла складывания крыльев есть в природе. Так планируют бабочки, держа свои крылья неподвижной «лодочкой» с контролируемым углом между крыльями: то складывая их чуть сильнее и снижаясь, то слегка расправляя и замедляя снижение. В будущем вполне возможно появление летательных аппаратов с подобным принципом управления полетом.

Будущий сверхзвуковой полет

Пока работа крыльев продемонстрирована в дозвуковом падении и поперечном обтекании их потоком — когда роль крыла заключается в создании аэродинамического сопротивления. Когда дело дойдет до сверхзвукового движения, картина станет другой. Перпендикулярное обтекание плавников сменится продольным, от передней кромки к задней. Сопротивление и подъемная сила разделятся и станут перпендикулярными, а сила сопротивления будет в разы меньше подъемной силы. Плавники превратятся в крылья, создающие подъемную силу на сверхзвуковых режимах полета.

В них ракета будет двигаться через минуту с небольшим после старта, переходя на сверхзвук по мере разгона. Starship в это время прикреплен на вершине первой ступени и втыкает носовую часть в воздух, принимая сверхзвуковые аэродинамические нагрузки. Крылья его при этом вряд ли будут работать, просто присутствуя на корпусе. Когда первая ступень отделится и Starship продолжит разгон, плотность остатков атмосферы станет очень низкой, и еще выше понятие сверхзвукового движения начнет терять смысл из-за глубокого разрежения окружающей среды.

Сверхзвуковой поток растет при возвращении, когда с больших высот Starship начнет снижение. Ведь скорость баллистическая очень высока — космического уровня или к нему близка. Такая скорость даст большой нагрев конструкции, что быстро может стать причиною деструкции. И ради уменьшения теплозащитных масс сбавляют темп снижения, хотя бы в пару раз. Нужна оптимизация по тепловым делам (и силовым нагрузкам, что тоже будут там). Возможно, траекторию придется растянуть и более полого проделать этот путь.

Здесь поможет сверхзвуковая аэродинамическая подъемная сила. Она возникнет на корпусе и крыльях Starship, весьма эффективных на сверхзвуке при своей достаточно большой площади. Сверхзвуковое обтекание потребует жаропрочности материала крыльев, чтобы в горячем состоянии держать большие аэродинамические нагрузки. Материал передних кромок, где будет самая высокая температура, должен быть еще жаростойким — не обгорать в высокотемпературном потоке. Корпус и крылья при этом будут покрыты плитками теплозащитного покрытия со стороны набегающего потока.

Но это все впереди: пока для дозвуковых испытаний крылья, как и сам аппарат, изготовляют в более простом исполнении. С аэродинамически невысокой точностью, с неровными поверхностями, не вызывающими существенного сопротивления на дозвуке.

Стратегия и испытания

Испытательная работа — свой мир. Цели испытаний могут быть разными, как и сами испытания. Что решать или создавать этапом тестов? Они могут быть больше проверочными или поисковыми. Какие задачи оптимально решать методом натурных испытаний, в рамках старых школ, в рамках новых проектов. Какие участки и этапы создания техники быстрее или надежнее решить через испытания. Что минимизировать, проектируя их этап?

Один путь — долгое тщательное моделирование, направленное на недопущение аварийных событий во время первого или редких испытательных полетов, поверяющих сразу все комплексно. Такие расчеты отнимают свой ощутимый набор ресурсов. Время, персонал, расчетную технику и другие. Ну и модель есть модель, достоверность моделирования не абсолютна. И всех деталей модель не охватит — в изделии огромное множество сложных взаимосвязанных процессов, одновременно идущих в разных областях.

Нагрузки и прочность, динамика потоков, температурные поля, переменные давления и вибрации — как в конструкции, так и неустойчивости в процессах. Потребуется много моделей, чтобы по частям описать и спрогнозировать работу изделия. Насколько адекватно комплекс этих моделей опишет и предскажет реальность?

Но зато моделирование экономит на проведении натурных испытаний и летных экземплярах. Изготовление их тоже затратно и отнимает много ресурса. Поэтому и сам металл стоит экономить, и металлический этап сокращать. Это более классический, традиционный путь, которым идет, например, создание SLS.

Другой путь — перенаправление ресурсов с моделирования на натурные испытания и измерения. Путь с большей степенью эмпиричности. Меньше моделирования, больше испытательных экземпляров за период разработки. Испытания через увеличенное количество натурных тестов позволяют получить большие объемы фактической информации. В том числе такой, которую трудно или невозможно смоделировать, с плотными измерениями реальных параметров. Грубо говоря, измеряемое разбивание прототипов дает массу фактических данных и, имея свою цену, экономит другие ресурсы. Один из таких важнейших ресурсов — время. Итог — возможный стратегический выигрыш в виде более раннего ввода в эксплуатацию.

Стратегический выигрыш может составлять годы — означающие полученные добавочные годы эксплуатации. И не где-то там, в хвосте проекта. Маск, похоже, идет именно этим путем.

Эмпирический путь испытаний Starship подразумевает многочисленные полеты и изготовление пары десятков экземпляров, непрерывно строящихся по ходу испытаний. Работы идут сразу на двух площадках. Изготовление многих элементов мелкой серией удешевляет аппараты, зато накапливается больше измерений реальных процессов. Эти знания могут сократить путь и срок достижения цели — эксплуатации изделия.

Похожим образом артиллерист, сделав короткий общий расчет, делает два выстрела: пристрелочных, испытательных. Увидев, каков недолет и перелет действительных падений, он этой измеренной «вилкой» определит третий верный выстрел — попадание.

Измерительный туман

Как конкретно происходят измерения, в каких форматах и объемах снимается и куда поступает информация, SpaceX не раскрывает. Поэтому остается за кадром, какое измерительное оборудование используют в испытаниях. Что входит в траекторный измерительный комплекс, какие телеметрические системы, какова технология измерений?

Возможны косвенные оценки. Во время недавнего испытания второй двигатель при посадке не запустился, продемонстрировав длинный выброс яркого пламени. Это одно из классических проявлений неустойчивости горения. Точнее, его следствие — неизвестно по виду, какой тип неустойчивости привел к выбросу. Их существует несколько.

Есть низкочастотная неустойчивость. Это колебания давления топлива в магистралях и камере, образующих с процессом горения единый колебательный контур. Пульсации давления идут с частотой 8-12 раз в секунду. Могут возникать неустойчивости разного рода при аварийном выключении двигателя, с разной быстротой развития событий. Есть высокочастотная, акустическая неустойчивость горения в камере сгорания, газодинамической волновой природы. Ее частота в сто раз больше, первые килогерцы.

Чтобы измерить происходящее с такой частотой (а иначе есть риск оставить причину в слепой зоне, за пределами измерений), нужно надежно отследить его во времени. Опрос датчиков проводить с частотой несколько тысяч раз в секунду. Этот поток данных должна обработать и передать телеметрическая система, которая поэтому вынуждена быть быстродействующей радиотелеметрической системой, БРС, и иметь минимально несколько сотен каналов измерения, оптимально первые тысячи. Чем выше мощность телеметрии, тем больше объем измерений и толк от испытаний.

Работа двигателей

Прототипы SN8 и SN9 снабжены тремя центральными двигателями Raptor Sea-level. Они обеспечивают взлет прототипа, заполненного топливными компонентами менее чем наполовину от полной заправки. Для тропосферы вверх (10-12 километров) и опробования управляемого снижения и посадки этого хватает с запасом (наглядно взрывавшемся на финише). Старт, набор высоты и управляемое аэродинамическое снижение прошли безупречно. Взлет на трех двигателях, затем с набором высоты планово выключался один, позже другой, а в верхней точке траектории — и третий двигатель. После аэродинамического снижения плашмя запускались два двигателя из трех, на которых производилась посадка.

Однако оба испытания закончились аварией при посадке, которую не смогли выполнить эти же двигатели. В авиации в официальных документах подобные происшествия формулируют как «разрушился, столкнувшись с земной поверхностью, с последующим пожаром». Илон Маск описывает это шуточным «приземлился с высокой скоростью и испытал быструю незапланированную разборку» (то есть RUD — rapid unscheduled disassembly, быстро ставшую мемом)

В испытании SN8 при посадке включились два двигателя, что обеспечило достаточные моменты для управляемого разворота SN8 в вертикаль и удержание его в посадочном положении. Здесь не хватило только вертикального замедления, снижения скорости до посадочной, хотя посадочное вертикальное положение аппарата было выполнено.

Почему не хватило тяги работающей пары двигателей? Незадолго до посадочного включения питание двигателей было переключено с основных баков на посадочные, и согласно пояснению Маска, давление метана в посадочном баке оказалось ниже расчетного, что уменьшило подачу горючего в двигатели и снизило их тягу.

Во втором пуске у SN9 устойчиво включился один двигатель, показав нормальную реактивную струю — полосатую сверхзвуковыми скачками уплотнения. Второй двигатель выбросил неровную кривулину яркого пламени, явно не разогнанного до сверхзвуковой скорости. Что свидетельствует о невыходе двигателя на расчётный режим. После этой вспышки неустойчивого режима двигатель затих.

Попытка одним работающим двигателем задать посадочное положение не удалась: не хватило управляющих усилий и высоты для таких малых усилий. Аппарат вошел в раскачивания и упал косо, с углом тангажа около 45 градусов. Сама SpaceX пишет: «Во время маневра с переворотом при посадке один из двигателей Raptor не включился повторно, и SN9 приземлился с высокой скоростью и испытал RUD».

Версии, отчего так произошло, высказывают разные. При быстром повороте в вертикальное положение происходит смещение компонентов топлива в баках в виде волны, что могло изменить режим питания трубопроводов и в итоге работу двигателей. Это звучит малоубедительно. Внешних газодинамических помех для перезапуска точно не было, при малой скорости встречного потока меньше 70 метров в секунду — в отличие от запусков двигателей Falcon-9 на сверхзвуковом режиме снижения, изрядно запирающим двигатель сверхзвуковым скачком уплотнения и его сжатием, заполняющим сопло.

Встречаются рассуждения о более сложном поведении метановых двигателей и метана как горючего. Однако у метана не возникает принципиальных особенностей сгорания и создания тяги, кардинально отличающих его от других криогенных топливных пар. В чем конкретно и как действует механизм метанового проклятия, нигде не изложено. Если двигатель сделан хорошо, он работает на всех своих этапах и включениях. Если он сделан плохо — так будет и работать или не будет вовсе. В двух прошедших испытаниях все двигатели четко и единодушно отрабатывали стартовую задачу. На посадочном включении двигатели запустились, но не обеспечили свою функцию — мягкую посадку. В следующем полете прототип словил отказ двигателя. И там уже не было варианта мягкой посадки.

Одинаковые двигатели повели себя радикально по-разному — это тоже интересная ситуация. Вряд ли на прототипе стоят три разных собственных магистрали метана и кислорода к трем двигателям. Скорее всего, магистрали единые и общие. Поэтому волновое смещение компонентов топлива в баках при вертикализации прототипа воздействует на одну общую заборную горловину на дне бака. Кроме того, переключение на небольшие посадочные баки существенно нивелирует проблему смещения топливных компонентов.

Возможно, двигатели изменили свое состояние после первого включения. И это изменившееся состояние противодействовало повторному запуску. Противодействие можно легко выявить по данным измерений: неустойчивое «чихание» пламенем у отключающегося двигателя — лишь следствие поведения его агрегатов и систем, процессов в них. Измерение параметров в паре сотен каналов на двигателе (то есть паре сотен датчиков, измеряющих температуры, давления, расходы, обороты, напряжения и токи в сотне точек) пять тысяч раз в секунду даст очень детальную картину происходящего, его развития, особенностей, затухания, всех существенных компонентов проявления.

Однако проблему не выявили после первого запуска, потому что на втором она повторилась. Поэтому сейчас возможен несколько более долгий этап, чтобы разобраться в причинах повторных незапусков двигателей и устранить их. В принципе, это нормальная работа с прототипом, позволяющая быстро вскрыть практическую проблему. В рамках стратегии эмпирического уклона в создании техники. Решения после первой аварии оказались недостаточными, посадка SN9 была еще более аварийной. Сравнение двух разных картин, вероятно, даст достаточно информации и практическую «вилку», после которой возможна и нормальная штатная посадка. Тест SN10, уже стоящего на старте, покажет, так ли это или насколько серьезна проблема, с которой столкнулись два предшественника.

Маск, в свою очередь, заявил, что SpaceX внесет изменения в схему полета и задействует три двигателя при посадке. Чтобы можно было отключить показавший неустойчивость, а на двух устойчиво запустившихся выполнить посадку. Селекция двигателей по рабочему режиму.

Терки с гражданской авиацией, или FAA

Взрывы двух аварийных посадок отозвались и в контролирующей официальной обстановке, вызвав претензии к SpaceX со стороны FAA. Федеральное управление гражданской авиации США (или Федеральная авиационная администрация, Federal Aviation Administration) заявило о нарушении SpaceX лицензии на испытания SN8.

FAA (в лице своего космического подразделения) отвечает за лицензирование запусков коммерческих космических объектов, проводимых любыми американскими компаниями. Роль агентства —гарантировать соблюдение операторами запусков правил общественной безопасности, ограничивающих риск для населения в целом. FAA также требует от операторов запусков покупать страховку ответственности для покрытия потенциального ущерба собственности.

Правила FAA требуют, чтобы компании с лицензиями на запуски многоразовых ракет-носителей, такие как SpaceX и ее Starship, соответствовали «пределу ожидаемых потерь» для «не участвующей в запусках общественности» в размере не более 0,0001 на запуск, или одну потерю на 10 тысяч стартов. Риск для любого человека не может превышать один на миллион.

SpaceX, по всей видимости, не захотела оплачивать превышение создаваемых своими испытаниями рисков над разрешенными FAA уровнями. Поэтому компания перед испытательным декабрьским запуском SN8 добивалась от регулятора отказа от признания такого превышения, за который надо платить, но не получила согласия. FAA отказалась дать лицензию на запуск «восьмерки» бесплатно, «простив» превышение своих стандартов. И SpaceX запустила SN8 без одобрения FAA. Неясно, оштрафовали ли SpaceX или взыскали с нее какие-то другие пени за запуск испытательного полета SN8 без одобрения FAA.

На следующий запуск прототипа SN9 лицензию SpaceX не получила. Планируемая дата пуска 28 января была отменена из-за отказа FAA выдать лицензию на него, пока SpaceX не предоставит FAA результаты расследования причин аварии. Маск разразился гневной фразой о том, что с такими правилами FAA человечество никогда не попадет на Марс. Маленькая война SpaceX и FAA завершилась выдачей лицензии на запуск «девятки» менее чем за сутки до пуска, вечером 1 февраля, — с условием недопущения такой аварии повторно. Как сказал представитель FAA, «корректирующие действия, связанные с инцидентом SN8, включены в лицензию на запуск SN9».

После чего незамедлительно произошла вторая авария со взрывом, по такому же сценарию. Теперь FAA проведет собственное детальное расследование. И тут снова смогла бы помочь хорошая телеметрия, снявшая детальную картину происходящего. Измерительные данные высокой полноты можно предоставить FAA для ускорения получения новой лицензии — на запуск десятого прототипа. Однако весьма вероятно, что функции FAA будут скорректированы в части упрощения выдачи лицензий на испытательные непилотируемые пуски космической техники.

Дальнейший путь

Маск хочет всемерного сокращения времени — это лежит в основе его стратегии, — поэтому SpaceX анонсировала ускорение испытаний прототипов. Помимо SN10, в разной степени готовности еще шесть прототипов SN. Испытания становятся более комплексными: уже на разбившемся SN9 стояли небольшие черные кусочки теплозащитного покрытия TPS (Thermal Protection System). На SN10 они большего размера и расположены в нескольких местах корпуса, на SN11 уже забираются и на носовую часть.

Первая ступень, Super Heavy, готовится к испытаниям в виде двух собираемых сейчас прототипов BN1 и BN2 на еще одной площадке в Бока-Чика. Когда начнутся их полеты, пока не известно, но запустить Starship на орбиту SpaceX планирует уже в этом году. Испытательные полеты и первой, и второй ступеней потребуют больших объемов топлива, подвозимого сегодня морем.

Сейчас завозят оборудование для сжижения кислорода и строительства местного кислородного завода, в то время как метан будут забирать из местных скважин. Все это говорит о скором усилении программы летных испытаний, а значит, впереди большая серия интересных тестов с пока непредсказуемыми результатами.

Стоит отметить, что сами испытания Маск превратил в интересное шоу и насыщенную новостную тему, которая будет занимать зрителей и аналитиков не один год. Огромное число людей наблюдает за запусками прототипов, ходом испытаний, созданием главного аппарата SpaceX. Кто-то с сопереживанием, кто-то — скептически, кто-то — делая ставки и предсказания или ожесточенно дискутируя в духе «полетит — не полетит». 

До того никому не известная деревня Бока-Чика теперь притягивает внимание во всех частях света. Скоро четверть или треть информационного потока будут составлять космические темы. Маск вовлек в тему создания своей техники множество людей, а SpaceX сделала испытательную работу доступным публичным массовым зрелищем и мейнстримом. Словно бы все вместе реализуют этот становящийся общим проект, симпатизируя создаваемой технике. И незаметно вырастая в более космической культуре. Такой подход SpaceX — дальновидное решение, возможно, идущее гораздо дальше, чем сами по себе полеты стальных прототипов.