Успешные испытания Starship: технические, научные и геополитические последствия «старшипова шока»

Четвертое испытание ракеты и корабля SpaceX 6 июня 2024 года завершилось лучше довольно успешного третьего теста. После старта в 15:50 (по московскому времени) и первая, и вторая ступень достаточно хорошо гасили скорость в атмосфере там, где это было нужно Илону Маску. Первая целой снизилась до вод Мексиканского залива, вторая пережила торможение в атмосфере и упала в запланированном районе Индийского океана. В третьих по счету испытаниях, 14 марта 2024 года, напомним, и первая, и вторая ступень разрушились из-за проблем с управлением.

С технической точки зрения это весьма важные факты, особенно в случае второй ступени. Тем более что еще за три секунды до старта один из 33 двигателей первой ступени не включился (но это все равно ничему не помешало).

Благодаря Starlink SpaceX удалось получить довольно впечатляющее видео спуска через атмосферу — и это, по сути, первые такие кадры в истории человечества:

Как и можно было ожидать, не все пошло по плану: часть рулевых поверхностей начала отрываться еще выше 50 километров. На это, впрочем, и нацелены испытания: выявить, что и когда работает не так, чтобы потом сделать лучше.

Несмотря на случившееся, есть серьезные основания для оптимизма. Профиль гашения скорости был весьма близок к желаемому, как и поведение корабля и теплозащиты в целом. Ему удалось понизить скорость ниже 400 километров в час перед приводнением, что и было целью четвертых испытаний. А это означает, что, даже несмотря на огненное шоу с камер, задачи в основном выполнены.

Кроме того, американские регуляторы достигли соглашения с SpaceX о том, что следующие испытательные полеты будут идти без задержек со стороны властей. Если все так и будет, то отработка нового корабля в ближайшие месяцы вполне вероятна. А тогда вероятен его беспилотный полет на Луну в 2025 году, необходимый для реализации высадки там астронавтов NASA в 2026-м.

Техника решает почти все

Дело в том, что вторая ступень входит в атмосферу на скорости, которая кратно выше скорости первой ступени. Значит, энергия на единицу массы у нее при этом в несколько раз выше — и ее в несколько раз сложнее погасить.

Именно поэтому первая ступень гасит свою скорость лишь работой ракетных двигателей и маневрированием, а вторая ступень вынуждена окутываться облаком плазмы при аэродинамическом торможении в верхних слоях атмосферы. Одними двигателями ей не затормозить: тогда придется потратить слишком много топлива. Отсюда и нужда в «плазменном торможении», заметном на видео.

Естественно, плазма опасна для металла космических кораблей. Да, у второй ступени Starship (она же корабль) материал этот совсем не тот, чем у всех его предшественников: от гагаринского «Востока» до современных кораблей NASA или России — все они сделаны из алюминия. Да, нержавеющая сталь, из которой корабли до этого создавали только в «Незнайке на Луне» Николая Носова, плавится и теряет прочность при температурах намного выше, чем алюминий.

Человечество хорошо знает это на практике: в 1988 году отвалившиеся плитки обнажили кусок обшивки одного из шаттлов (STS-27), и экипаж думал, что он умрет при входе в атмосферу. По случайности плитка отвалилась именно на том фрагменте челнока, где была нержавеющая сталь, отчего прогара (сходный через 17 лет погубил другой шаттл, «Колумбию») так и не случилось.

И все же полный поток тепла от плазменного облака для корабля недопустим. Каким жаропрочным ни делай его корпус, люди и оборудование внутри не должны перегреваться. Поэтому Starship усеян 18 тысячами теплоизолирующих плиток. И именно они — самая сложная часть этого проекта.

Да, они несколько отличаются от плиток шаттлов и «Бурана». SpaceX, что логично, использует диоксид кремния, покрытый боросиликатным стеклом. Под стеклом — дополнительный белый теплоизолирующий слой. Плитка закреплена штырями и клеем (в полете 6 июня компания Илона Маска использовала новый, красный клей). Но и это не панацея.

Какие-то из 18 тысяч плиток закреплены хуже других, и они отвалятся (в прошлых полетах так уже было). Материал под ними может прогореть, тогда нагрев пойдет на стальной корпус ракеты/корабля. Если речь идет об одной или нескольких плитках, это не перегреет корпус. Но десятки плиток, отвалившихся в одном месте, — риск катастрофы.

Именно теплозащита при входе в верхние слои атмосферы — причина, по которой NASA считало и считает концепцию Starship ошибкой. Агентство концентрируется на своем опыте: оно спроектировало шаттл впопыхах и нетщательно. Главная беда была даже не в том, что плитки отваливались. Хуже то, что отлетавшие плитки били затем по поверхности шаттла, которая местами была углепластиковой, миллиметровой толщины. В случае с STS-27 экипажу повезло, плитка ударила в малоуязвимое место. В случае «Колумбии» повезло меньше: даже не плитка, а просто кусок теплоизоляционной пены угодил в районе, где конструкцию делали из углепластика. Естественно, что после этого на входе в атмосферу корабль разрушался.

У SpaceX такого не будет: нержавейка на высоких температурах куда прочнее углепластика и даже близко не такая хрупкая. Но если нержавейка подвергнется многим циклам нагрева-охлаждения — то есть с нее не раз отвалятся плитки в одном месте — и рентгеновская дефектоскопия затем покажет, что это серьезно ослабило конструкцию в месте нагрева, то отдельные листы придется вырезать, а на их место приваривать новые. Такие операции сделают Starship нуждающимся в ремонтах, но частые ремонты несовместимы с полной многоразовостью.

Финансово ситуацию можно описать так: если вторая ступень носителя SpaceX будет иметь десятикратную многоразовость, проект сможет окупить себя и будет востребован в космической индустрии. Но стоимость одиночного полета Starship тогда вряд ли упадет ниже 25 миллионов долларов. Хотя это означает снижение цены вывода единицы груза на орбиту в 10 раз — до 250 долларов против минимальных сегодняшних ~2500 долларов, — для колонизации Марса не хватит. Речь будет идти разве что о базах на Луне и отдельных вылазках на четвертую планету.

По этой причине цель Маска — минимум стократное использование и второй ступени, а не только первой, для которой это условие, судя по опыту Falcon, выполнимо и без теплозащиты. Учитывая, что системы жизнеобеспечения, как и все самое дорогое оборудование, будут на второй, а не на первой ступени, сегодняшний успех SpaceX обещает весьма многое.

Реализация безремонтных 100 пусков второй ступени снизит цену каждого старта Starship примерно с 25 миллионов долларов до суммы не более чем в пять миллионов. Это не более 50 долларов за килограмм полезной нагрузки — или в десятки раз дешевле, чем люди летали в космос всего 10 лет назад.

Что в этом для науки: кочующая лунная база

Не секрет, что у науки с космосом в последние лет 20 некоторые сложности. То есть да, на МКС все еще открывают новое: например, то, что споры почвенных бактерий с экватора достигают внешней части станции и потом могут дать жизнеспособные новые бактерии. Но вот с запланированными с Земли экспериментами все не слишком хорошо.

Причины хорошо иллюстрируют слова российских космонавтов: на МКС крайне мало места для научного оборудования, а если оборудования мало, новые эксперименты ставить тяжело. Ведь с небольшим объемом оборудования массу экспериментов провели еще на станциях «Салют», «Мир» и «Скайлэб». Надо двигаться дальше, но теснота МКС и трудности доставки туда больших экспериментальных установок этому объективно мешают.

Хотя эти слова относятся к российскому сегменту МКС, то же самое могли бы сказать американские астронавты, если бы они были бы также фрустрированы проблемами в развитии NASA, как российские космонавты — проблемами с целеполаганием в «Роскосмосе». Но у NASA на горизонте маячит лунная экспедиция, поэтому американцы не склонны делиться аналогичными мыслями вслух.

Тем не менее достаточно посмотреть на объемы их отсеков, почитать научные работы последних лет по экспериментам на американской части станции, да хотя бы найти видео оттуда, чтобы понять: там те же проблемы, лишь несколько менее острые.

Это не значит, что на орбите нечего исследовать. Было бы отлично повторить там эксперименты типа советского БИОС-3, когда люди жили в полностью автономной по газу и воде (и на 80% по еде) системе жизнеобеспечения без связи с внешним миром. Но БИОС-3 был на Земле, без невесомости и радиации. Сходный эксперимент на орбите был бы бесценен.

Только вот для него нужно несколько сот кубических метров пространства. А на МКС, если учесть стоящее в гермообъеме оборудование, — это и будет все свободное место. Естественно, забить его гидропоникой и кухней нельзя: людям негде будет выполнять остальные задачи. Еще хорошо бы испытать на станции компактные центрифуги для сна (без них невесомость слишком быстро доводит костную массу астронавта до значений, угрожающих его жизни). Но места для такого на МКС нет.

Starship вполне решает такие проблемы. Туда влезет и центрифуга с коротким плечом, и БИОС-3 — и все еще остается масса места для других экспериментов, астронавтов и всего остального. Ведь по внутреннему объему он равен МКС, а еще один такой корабль в космосе легко стыкуется с другим. Модульно из них можно собрать огромную конструкцию.

Что еще важнее — сходная ситуация сразу же возникает для баз, например, на Луне. Starship способен доставить туда в своих баках сотни тонн метана и кислорода. Даже с учетом неизбежных утечек это значит, что он сможет взлететь оттуда и достичь околоземной орбиты на протяжении многих месяцев. Никак не меньше, чем сегодня длится одна смена экипажей на МКС.

Легко понять, что из этого следует. Прилунив Starship HLS, можно реализовать там «смену экипажа лунной станции», например, раз в полгода. Затем поднять его в космос и вернуть на околоземную орбиту. Где сменить экипаж и оборудование с обычного Starship, стартовавшего с Земли, а затем вернуть все это на Луну для следующей смены.

Что это даст? «Кочующая база» не будет требовать никаких усилий астронавтов на Луне для постройки. Это резко отличает ее от всех остальных проектов, которым нужны большие вложения труда, при этом они сложно реализуемы из-за проблем со скафандрами в условиях лунной запыленности, о чем мы не раз писали.

К концу 2030-х SpaceX планирует снизить стоимость таких полетов до 100 миллионов долларов. Это примерно 0,5 процента нынешнего бюджета NASA. С учетом этого фактора на Луне явочным порядком неизбежно возникновение весьма крупных баз: поставить там даже десяток кораблей будет стоить намного дешевле, чем собрать новую МКС.

Это означает новую эру для науки в космосе: от тесных, но очень дорогих рамок орбитальной станции она сама собой перетечет на куда более просторные лунные базы.

Naked Science неоднократно писал: на Селене есть что исследовать. В том числе не исключена и жизнь. Как не раз отмечали ученые еще XX века — обнаружение любой жизни вне Земли сразу и навсегда изменит общества на нашей собственной планете: от целеполагания до политики и даже экономики. Та страна, что будет стоять у истоков этого открытия, займет в истории человечества совершенно особое положение.

Геополитические последствия: как итальянцы и малайцы смогут обогнать великие державы с лунной базой

Казалось бы, как изучение Луны может повлиять на геополитику? Запросто.

Напомним: все космическое сотрудничество России и, например, Китая строится вокруг темы «совместной базы на Луне» где-то в далеких 2030-х. К такому сотрудничеству легко готовы присоединиться и другие страны третьего мира.

Испытания IFT-4, со входом в атмосферу Starship без разрушения, — это третий звонок о том, что уже через несколько лет базу на Селене смогут позволить себе хоть ОАЭ, хоть Малайзия. Кто угодно, у кого есть хотя бы миллиард долларов в год на космические исследования.

Взглянем на список: получается, лунная база вполне по карману Японии, Франции, Германии и Италии. Даже 50% их космического бюджета не придется потратить на то, чтобы заключить с SpaceX договор на перевозку — силами отряда астронавтов компании, которые не первый год готовятся к полетам — ученых из Европы и Японии на Луну.

Не надо думать, что дело обойдется только ими. Скажем даже конкретнее: как раз европейцы вряд ли заключат такой договор первыми, поскольку очень не любят и Маска, и SpaceX. Но в мире есть не только люди, готовые отгрызть себе руку, чтобы не здороваться с неприятными им гражданами.

Есть еще Тайвань, для которого возможность получить базу на Луне быстрее КНР — просто мечта пиарщика. Есть и многие арабские страны с большими бюджетами, но без кадров для собственных космических полетов. Наконец, есть Южная Корея, которой очень нужны космические успехи на фоне КНДР, но чьи кадры пока и близко не позволяют ничего особо впечатляющего в космосе.

Некоторые из них не откажутся вести исследования на Луне, пока такие тяжеловесы мировой политики, как Китай и Россия, еще много лет об этом не смогут даже мечтать. С высокой вероятностью нас ждет своего рода геополитическая революция — сначала в космосе, а потом и в смысле «мягкой силы» здесь, на Земле.

И пока на планете трудно найти страну, подготовленную к последствиям этой революции хуже, чем Россия. Наш старшиповый шок вполне дойдет до населения и руководства только через три года, когда американские астронавты снова ступят на поверхность Луны. На этот раз — из корабля, обреченного стать кочующей лунной базой.