Эволюция Starship

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эволюция Starship

Игорь Яблоков



Credit: SpaceX

С 2012 года SpaceX работают над многоразовой ракетой, которая теперь известна под названием Starship.

Starship -- беспрецедентная ракета в истории космонавтики, как по своим амбициям, так и по размеру, она даже больше, чем ракета Saturn V. На момент запуска это будет самая большая в мире ракета-носитель со стартовой массой в 5000 тонн, что в восемь раз больше, чем у крупнейшего в мире пассажирского реактивного самолёта Airbus A380.

Starship должна поднять в воздух первая ступень Super Heavy, на ней будет установлено 28 двигателей Raptor, развивающих больше тяги, чем 50 лайнеров А380 одновременно. Пассажирский вариант Starship вмещает не менее 100 пассажиров в герметичном отсеке объёмом 1000 мі, что на 9% больше, чем у МКС.

Также планируются полёты Земля -- Земля, во время которых можно будет меньше чем за час долететь с одного континента на другой. Ещё будет версия Starship-танкера, она потребуется для миссий за пределами низкой околоземной орбиты и позволит ремонтировать спутники, выполнять полёты вокруг Луны, Марса и далее. Дебют Starship может ознаменовать новую эру полётов в космос, так как он позволит существенно снизить стоимость космических миссий.

Благодаря материалам от NASASpaceflight, SpaceX и Илону Маску, регулярно публикующему новые подробности в Твиттере, мы смогли проследить прогресс разработки Starship по его 13 известным на данный момент версиям.

Начало. Концепция (2006-2012)

В 2006 году при попытке запустить 28-тонную ракету Falcon 1, четырёхлетняя компания SpaceX получила от NASA деньги на постройку гораздо более крупной ракеты с девятью двигателями на первой ступени и одним на второй, она была названа Falcon 9. До этого у компании были планы построить ракету меньшего размера - Falcon 5, однако им не суждено было воплотится.

Но ещё до того, как было принято решение о разработке Falcon 9, Маск планировал построить нечто под названием BFR, или «Big Falcon Rocket» (Big F*cking Rocket), которая, по словам биографа Маска Эшли Вэнса (Ashlee Vance), должна была иметь самый большой и мощный двигатель в истории. Стоит помнить, что в то время Falcon 1 была более чем в 100 раз меньше лунной ракеты Saturn V! Позже Маск упомянул, что это название было частично навеяно BFG из серии видеоигр Doom.

18 июня 2009 года первое публичное упоминание о ракетном двигателе Raptor было сделано Максом Возоффом (Max Vozoff) из SpaceX в Американском институте аэронавтики и астронавтики (AIAA) в докладе “Innovations in Orbit: An Exploration of Commercial Crew and Cargo Transportation event”. Однако в то время он не относился к BFR, поскольку рассматривался как водородно-кислородный двигатель второй ступени для Falcon 9.

Концептуальные идеи для сверхтяжёлых ракет-носителей Falcon X, Falcon X Heavy и Falcon XX были также представлены на конференции Joint Propulsion Conference в 2010 году. Они должны были оснащаться двигателями Merlin 2, развивающими тягу 775 тс, с удельным импульсом в 285,0 с на уровне моря и 321,4 с в вакууме.

Credit: SpaceX

Этот двигатель должен был быть существенно более крупным родственником двигателя Merlin 1 компании SpaceX, который использовался на Falcon 9 и работал на керосине/жидком кислороде с использованием открытого цикла. Вскоре после презентации Маск отрицал, что представленные идеи были планами в отношении будущих ракет. Дальнейшие события показали, что на самом деле они были предшественниками Starship.

В июне 2011 года инженер SpaceX Джефф Торнбург (Jeff Thornburg) был назначен ответственным за разработку двигателя Raptor и получил для этого небольшую команду. Проект развивался медленно из-за своей низкой приоритетности.

1 версия (Mars Colonial Transporter - октябрь 2013 г.)

К октябрю 2012 года, когда опыт SpaceX в области двигателей увеличился, а финансовое положение улучшилось, Raptor превратился в двигатель, в несколько раз более мощный, чем двигатель Merlin 1. Несколько двигателей Raptor должны были привести в действие будущую ракету под названием Mars Colonial Transporter, способную выводить 150-200 т на низкую околоземную орбиту.

В следующем месяце Маск объявил, что Raptor будет двигателем на метане/жидком кислороде (металоксе). Преимущество металокса в том, что топливо для таких двигателей можно производить на Марсе, легче хранить и обрабатывать, чем водород, он менее склонен к закоксовыванию в камере сгорания, чем керосин/жидкий кислород, а при переохлаждении имеет только на 21% бомльший объём на единицу массы топлива.

Открытый цикл был заменён на закрытый с полной газификацией компонентов топлива. Он был более сложным, но позволил повысить эффективность и тягу. В двигателях с закрытым циклом сгорания топливо проходит через две или более камер, где оно постепенно сгорает. Это даёт преимущество в более высокой топливной эффективности (измеряемой в удельном импульсе). Первый показатель тяги Raptor, о котором было объявлено в октябре 2013 года, составлял не менее 300 тс.

В самых ранних версиях предполагалось, что ракета будет сделана из литий-алюминиевого сплава. Преимущество алюминиевых сплавов в том, что они поддаются сварке трением с перемешиванием, имеют однородные свойства, более устойчивы к повреждениям, чем углеродное волокно, и в целом имеют хорошее соотношение прочности к весу. Однако по мере того, как SpaceX совершенствовали конструкцию, инженеры обнаружили недостатки при попытках масштабировать методы производства Falcon 9.

Вероятно, версия этой ракеты с одним центральным блоком первой ступени была способна поднимать только 120 т, что меньше заявленных SpaceX 150-200 т. Версия с тремя блоками (а.к.а. Falcon Heavy) массой 5440 т, оснащенная 28 двигателями Raptor, могла бы вывести более 286 т на низкую околоземную орбиту.

Версия 2 (март 2014 г.)

В феврале 2014 года Маск заявил, что полезная нагрузка MCT представляет собой большой межпланетный космический корабль, способный вместить 100 т груза и экипаж.

В марте 2014 года вице-президент SpaceX по двигательным установкам Том Мюллер (Tom Mueller) подтвердил конфигурацию двигательного отсека в стиле Falcon 9, состоящую из девяти двигателей Raptor на первой ступени и одного на второй. Мюллер также объявил об увеличении тяги двигателя Raptor до 453 тс и выборе для ракеты диаметра в 10 м.

Было решено, что двигатель Raptor также будет использовать редко используемый, но очень эффективный, закрытый цикл с полной газификацией -- поэтапный цикл сгорания обогащённого окислителя с использованием топливных форсунок, каждая из которых питается от отдельной турбины. Предполагалось подпитывать их пропеллентным газом, что даёт ещё больше энергии. Преимущества этой технологии включают более низкие температуры турбины и более низкое давление, что приводит к бомльшей надёжности и увеличению срока службы двигателя. К недостаткам потенциально можно отнести повышенную сложность такого двигателя.

Оценки показывают, что увеличенная тяга этой версии повысила грузоподъёмность ракеты с одним центральным блоком до 174 т на низкую орбиту. Лёгкий способ визуализировать это - представить себе ракету, выводящую на орбиту почти полностью загруженный Boeing 767-200ER.

Версия 3 (май 2014 г.)

В мае 2014 года более подробная информация о двигателе Raptor была представлена на конференции Space Propulsion в Кельне, Германия. Тяга Raptor на уровне моря увеличилась до 705 тс). Вакуумная версия Raptor имела тягу 840 тс и удельный импульс в 380 с. В результате тяга ракеты подскочила до 6344 тс, в результате чего грузоподъёмность составила не менее 270 т. Это примерно равно выводу на орбиту Airbus A340-300 с 335 пассажирами.

Версия 4 (июнь 2014 г.)

В июне 2014 года, когда SpaceX уже начали испытания компонентов Raptor, Том Мюллер заявил, что компания увеличила тягу двигателя Raptor до 756 тс, что позволило конкурировать с самыми мощными ракетными двигателями из когда-либо созданных. В результате общая тяга ракеты увеличилась ещё на 7,2% до 6 803 тс.

Кроме того, выяснилось, что SpaceX отходят от рассмотрения пакетной схемы и вместо этого концентрируются на одной большой первой ступени диаметром от 10 до 15 м. Основная причина этого перехода, вероятно, была связана с гораздо меньшим снижением производительности при повторном использовании.

Оценки показывают, что любой из рассматриваемых «моноблочных» вариантов ракеты мог бы без проблем вывести более 300 т на низкую околоземную орбиту, а при повторном использовании примерно половину от этой грузоподъёмности.

Версия 5 (октябрь 2015 г.)

В январе 2015 года SpaceX изменили курс и внезапно снизили тягу двигателя Raptor до 230 тс, хотя об изменениях в общей тяге или конструкции ракеты не упоминалось, за исключением того, что отныне будет больше двигателей.

Один из первоначальных набросков второй ступени, сделанных SpaceX, представлял собой простую капсулу диаметром 15 м, оснащенную 15 двигателями Raptor, каждый с соплом длиной 2,89 м. Груз и экипаж располагались под топливными баками. Сферический баллон с жидким кислородом диаметром 13 м должен был располагаться в носовой части, а резервуар с жидким метаном - под ним. Предполагался вход в атмосферу планеты одной стороной, как и в современной версии Starship. Это было связано с тем, что такой вход имеет более хорошие характеристики (EDL), в то время как профиль входа, подобный профилю капсульных кораблей, делал защиту двигателей от нагрева во время входа очень сложной задачей.

SpaceX в конечном итоге отказались от первоначальной конструкции, потому что она требовала более длинных трубопроводов, большую массу и худшие условия для размещения экипажа. Затем компания рассмотрела не менее четырёх вариантов второй ступени, каждый с небольшими сферическими баками для посадки. С тех пор в каждом известном варианте второй ступени упоминалась возможность наличия этих сферических баков.

Первым рассмотренным вариантом второй ступени был космический корабль диаметром 15 м, оснащенный 15 двигателями Raptor. Двигатели Raptor окружали нижний периметр космического корабля, каждый под углом 15° наружу.

Баки с топливом должны были заполнять центр корабля сверху вниз. Бак с жидким кислородом должен был располагаться над баком с жидким метаном и полностью заполнять носовое пространство корабля. Дополнительный грузовой отсек обрамлял бы нижнюю часть кислородного бака и отделял от него экипаж. В свою очередь, экипаж размещался в отсеке в форме тора, окружающего верхнюю половину метанового бака.

Основной грузовой отсек должен был находиться непосредственно под экипажем, обрамляя нижнюю половину метанового бака. Одиночный топливопровод для жидкого кислорода пересекал бы метановый бак насквозь, а двигатели Raptor должны были размещаться ниже основного грузового отсека.

Второй вариант имел 3 двигателя Raptor, расположенных в виде треугольника между внешним кольцом из 12 двигателей. Этот вариант также имел кислородный бак в носовой части корабля. Однако метановый бак был шириной с корабль. Через него проходил кислородный топливопровод. Топливные баки этой конструкции занимали тогда гораздо меньше вертикального пространства, хотя они и были больше, чем в предыдущем варианте.

Пара топливопроводов в этом варианте проходила прямо через основной грузовой отсек. Отсек для экипажа в форме тора располагался за пределами верхней половины основного грузового пространства. Небольшой дополнительный грузовой отсек отделял экипаж от топливных баков, расположенных выше. Основное грузовое пространство было ниже и занимало всю ширину корабля.

Третий вариант по компоновке был похож на второй, но был уже и выше. У него было 5 центральных двигателей Raptor в форме пятиугольника, окружённых 10 двигателями Raptor в кольце.

Четвёртый вариант раннего Starship был ещё выше, чем третий. Эта версия была единственной, где топливные баки размещались в нижней части корабля. И метановый, и кислородный резервуары занимали всю ширину, а кислородный топливопровод также проходил через метановый бак. Основной грузовой отсек располагался над кислородным баком и занимал всю ширину корабля. Над ним располагался отсек для экипажа, который также занимал всю ширину. В носовой части над экипажем располагался дополнительный грузовой отсек.

Когда 25 июля 2015 года SpaceX провели конференцию по дизайну MCT, он эволюционировал ещё дальше. На встрече Маск отметил, что дизайн должен быть более эффективным, чем у корабля Dragon, и хотел, чтобы все пассажиры имели отдельную кабину, а также сравнил корабль с яхтой, а не подводной лодкой. Было решено, что ракета-носитель и корабль будут иметь аналогичную архитектуру.

На этой встрече также впервые упоминается танкер, совершающий три рейса, чтобы полностью заправить MCT. MCT будет иметь большие люки для выгрузки груза и экипажа на поверхность планет. Были упомянуты и другие элементы дизайна, такие как потенциальный сферический метановый бак на 900 т. Самым радикальным изменением помимо двигателей стал переход на материалы топливного бака.

Каждый топливный бак представляет собой композитный монокок без вкладыша, изолированный аэрогелем с прочностью 800 Па (6 мм рт.ст). Аэрогель, возможно, имел внутреннюю структуру для распределения нагрузки по нему. Предполагалось автогенное создание давления (1.7 бар), что, по мнению инженеров SpaceX, обеспечивает хороший компромисс между надёжностью и увеличенной массой.

Баки из литий-алюминиевого сплава оказались неэффективными в этих масштабах при автогенном создании давления, так как нуждались в дополнительном укреплении от деформаций. Баки из углеродного волокна обладали большей геометрической жёсткостью, чем алюминиевый сплав, что позволяло использовать корабль меньшей массы при том же размере.

Бак из углеродного волокна. Сredit: SpaceX

Маск даже упомянул о своём желании совместить систему тепловой защиты (TPS) с внешней оболочкой корабля для экономии массы. Это предвещало возможное решение SpaceX использовать углеродное волокно для всей конструкции. Основной причиной такого выбора был низкий коэффициент теплового расширения, который позволил бы SpaceX разместить теплозащитный экран корабля непосредственно на внешнем корпусе, потенциально экономя ещё больше массы.

В августе 2015 года Маск объявил, что соотношение кислорода к метану в двигателях Raptor составит 3,8:1. MCT должен был представлять собой ракету высотой 180 м, диаметром 12 м и массой 4724 т, с космическим кораблём массой 1125 т, установленным на ускоритель массой 3599 т. Он будет стартовать с тягой 6344 тс 27 двигателей Raptor и выводить 236 т на низкую орбиту в многоразовом варианте.

Интересно, что это также сделало бы его многоразовую версию самой эффективной ракетой-носителем в мире с полезной нагрузкой, равной 4,99% от стартовой массы ракеты.

Корабль и танкер MCT имели длину 60 м и были способны стыковаться для дозаправки корабля. Оба также должны были иметь TPS с абляционным материалом PICA 3.0. Отношение тяги основной ступени к кораблю/заправщику составляло 5:1, в то время как у большинства ракет соотношение тяги составляет 8:1 и более. Вероятно, это означало, что на космическом корабле планировалось 5 вакуумных двигателей Raptor. К этому времени вторая ступень, вероятно, также имела 3 центральных двигателя Raptor. ракета марс космический полет

Сам космический корабль MCT должен был иметь большой жилой отсек с каютами для экипажа, установленными в верхней части. Для транспортировки груза имелся нижний грузовой отсек, установленный над двигателями, которые, в свою очередь, питаются через центральные трубопроводы, проходящие через грузовой отсек. Такая компоновка позволила бы легко выгружать тяжёлые грузы. Космический корабль включал в себя 5 опор, которые выдвигались, а не складывались как опоры Falcon 9. Планов по установке системы прерывания полёта (LAS) на космическом корабле уже тогда не было. Высота ракеты в то время должна была составлять около 105 м.

Версия 6 (февраль 2016 г.)

После 2015 года SpaceX разработали конструкцию второй ступени. Самый тяжёлый вариант, оценивающийся в 80,7 т, имел топливные баки в носовой части, экипаж -- в нижней, а основной грузовой отсек -- чуть выше двигательного. Второй по массе вариант весил 79,8 т и имел отсек для экипажа в верхней части, основное грузовое пространство -- в нижней, и топливные баки между ними. Выбранный вариант весил 73,3 т и имел отсек для экипажа в верхней части, грузовой отсек -- в средней, и топливные баки -- в нижней. Он принёс в жертву лёгкость посадки и разгрузки ради увеличенной дельта-V, критически важной для возвращения на Землю с Марса.

К февралю 2016 года компания спроектировала MCT ещё более крупной конструкции массой приблизительно 5400 т, высотой 81 м и диаметром 12 м с примерно в 2,4 раза большей тягой, чем у Saturn V. Сделанный полностью из углеродного волокна корабль высотой 41 м с 9 двигателями Raptor (6 вакуумных и 3 основных) вмещал 1450 т топлива. Под ним находился 40-метровый ускоритель с 42 двигателями Raptor, вмещающий 3650 т топлива при соотношении кислород/топливо 3,58.

Тяга двигателя Raptor была уменьшена на 13% до 200 тс, в результате чего ускоритель развивал тягу в 8 400 тс, что на 32,4% больше, чем заявлялось ранее. Он должен был приземлиться возле стартовой площадки, а не в море, с помощью комбинации двигателей ориентации на горячем газу и решётчатых рулей.

SpaceX планировали повторно использовать ускоритель, танкер и корабль 1000, 100 и 12 раз соответственно, при этом повторное использование корабля сильно ограничивалось нагревом, который он должен был выдержать во время полёта. Танкер MCT заметно отличался от корабля, с негабаритными баками вместимостью 1650 т и высотой всего 27 м. В качестве возможного предшественника более поздних планов SpaceX рассматривали полёт танкера в виде одноступенчатого корабля с выходом на орбиту (SSTO) с уменьшенными размерами сопла у двигателей и всего 540 т топлива.

Предполагалось, что вакуумная версия двигателя Raptor будет 5,5 м в длину и 3,8 м в диаметре, в то время как основной двигатель Raptor будет значительно меньше. Двигатели будут работать на жидком кислороде и метане, охлаждёнными до -212°C и -178°C перед пуском. В вариантах второй ступени все 9 двигателей запускались после разделения ступеней, чтобы минимизировать гравитационные потери. Оказавшись на орбите, танкер и корабль состыковывались и перекачивали топливо.

Корабль бы имел хранилище для воды и жидких и твёрдых отходов вокруг верхних краёв кислородного бака. Над ним располагался негерметичный грузовой отсек. Он состоял из 3-метровых палуб, поддерживаемых центральной колонной. Эта область включала энергосистемы, тепловые системы, солнечные панели, радиаторы, системы жизнеобеспечения, системы кондиционирования воздуха и авионику. В корабле было достаточно места для перевозки 73 человек на Марс в соответствии с минимальным стандартом свободного пространства (15,1 мі на человека).

SpaceX могли бы компенсировать ухудшенный вариант разгрузки при этой компоновке за счёт большого грузового люка и козлового крана для спуска тяжёлых грузов на поверхность Марса. Экипаж может спуститься через шлюз из герметичного отсека объёмом 1100 мі. Также в него можно попасть через шлюз стыковочного порта. Герметичный отсек имел такую же центральную опорную колонну, что и грузовой. Предполагалось 4 уровня: 3 этажа высотой 2,5 м для экипажа, запасов и используемых помещений, а также верхний уровень намного большего размера.

На этом уровне располагались каюты и кресла экипажа. В носовой части корабля находились RCS-двигатели. Одним из важных элементов стали выдвижные опоры танкера и корабля, 5 из которых были значительно увеличены.

Когда в SpaceX решили полностью использовать углеродное волокно, инженеры отметили огромные производственные проблемы, перекликающиеся с Boeing 787, секции фюзеляжа которого также были сделаны из углеродного волокна. Среди других проблем отмечалась меньшая устойчивость к повреждениям углеродного волокна по сравнению с металлическими конструкциями, с которыми SpaceX надеялись справиться с помощью нового подхода к производству. План заключался в том, что для процесса производства композитных секций использовалось соединение внахлёст.

Ещё в 2016 году компания SpaceX подсчитала, что они могут построить ускоритель для актуальной в то время версии MCT всего с 3 составными секциями и переходным отсеком. Инженеры компании оценили скорость укладки волокна в 16-20 т в месяц для создания только ускорителя.

Теплозащита корабля и танкера также оставалась в центре внимания команды. Когда SpaceX выбрали первоначальную 73,3-тонную версию MCT, инженеры подсчитали, что для неё потребуется ~ 18 т абляционной тепловой защиты PICA. Это означало, что примерно четверть массы корабля будет отдана исключительно теплозащите. Это бы ограничило массовые преимущества углеродного волокна.

Инженеры SpaceX также были озабочены поиском способов снижения стоимости теплозащиты. Нагрузка от многократных вхождений в атмосферу во время марсианских полётов туда и обратно потребует ремонта всего покрытия. Аналогичные опасения высказывались и по поводу снижения затрат на ремонт покрытия танкеров между рейсами, чтобы улучшить возможность их повторного использования.

Версия 7 (Interplanetary Transport System - сентябрь 2016 г.)

Сredit: SpaceX

В феврале 2016 года SpaceX выбрали конструкцию MCT массой ~ 5400 т вместо более крупной конструкции массой 7000 т, высотой 88 м и диаметром 14 м с тягой в 3 раза большей, чем у Saturn V. В ITS, о которой было объявлено в сентябре 2016 года, масса увеличилась до колоссальных 10 500 т! Ракета могла вместить больше, чем крейсер класса «Тикондерога», и более чем в 2 раза превышала проектную массу 4724 т, о которой было заявлено в предыдущем году.

ITS имел высоту 122 м и состоял из 2 ступеней. Первая, высотой 77,5 м развивала поразительную тягу в 13 000 тс, что соответствует 85 Airbus A380, сверху располагался космический корабль ITS высотой 49,5 м и диаметром 17 м с большим панорамным окном.

Его тяга в 3 150 тс позволила бы поднять 2100-тонный корабль и до 300 т груза на НОО. Он мог доставить на поверхность Марса 450 т груза, благодаря 3 выдвигающимся посадочным опорам. Вариант танкера отличался крупногабаритными баками вместимостью 2500 т и уменьшенной на 40% сухой массой.

Тяга двигателя Raptor на уровне моря увеличилась на 55,5% с 200 до 311 тс, а его удельный импульс на уровне моря увеличился на 3,9% (334 с против 321,4 с ранее).

Он даже был способен дросселироваться на 20-100%, а его давление в камере, составляющее 300 бар, было самым высоким в истории ракетных двигателей. Вакуумная версия имела более высокую тягу в 356 тс и удельный импульс в 382 с, это был самый высокий показатель у углеводородного двигателя за всю историю, благодаря очень большому соплу со степенью расширения 200:1.

Скромные 7% (или 469 т) топлива, необходимые для возврата ускорителя ITS на площадку должны были превзойти по массе ранние Falcon 9 и составить 333 т. Полезная нагрузка в одноразовом варианте в 3 раза превышала вес Статуи Свободы. Даже в многоразовой версии полезная нагрузка была эквивалентна массе Boeing 777-300. Однако, была слишком большой, чтобы быть безопасной, практичной или экономичной.

Версия 8 (Big Falcon Rocket-сентябрь 2017 г.)

Сredit: SpaceX

В сентябре SpaceX решили изменить всю систему, чтобы избежать строительства нового завода. Это упростило бы производство за счёт более простой и дешёвой логистики для транспортировки и испытаний. Пересмотренный проект был назван Big Falcon Rocket (BFR).

Когда проект BFR был анонсирован на Международном астронавтическом конгрессе в 2017 году, он имел высоту 106 м, массу 4400 т и мог доставить на орбиту полезную нагрузку массой 150 т в многоразовом варианте. Увеличенные более чем вдвое в период с октября 2015 года по сентябрь 2016 года размер и масса всей системы отныне уменьшились до минимально возможных значений.

Ракета-носитель BFR высотой 58 м и массой 3065 т оснащалась 31 двигателем Raptor с тягой 5 400 тс. Это «всего лишь» 35 авиалайнеров А380. Корабль Big Falcon Ship (BFS) уменьшился до 48 м в длину, его герметичный объём - до 825 мі, а масса - до 1185 т без полезной нагрузки. Он мог возвращать полезную нагрузку до 50 т.

У BFS было 4 выдвижные посадочные опоры. Он также отличался 4 оптимизированными под вакуум двигателями Raptor, расположенными вокруг 2 (позже 3) основных двигателей Raptor. Пара треугольных крыльев была добавлена для обеспечения контроля по тангажу и крену. Это, в свою очередь, позволяло BFS быть управляемым в различных слоях атмосферы. Большое переднее панорамное окно было разделено на 2 больших, расположенных рядами. Установкой укрытия от «солнечного шторма» для жителей 40 кают, были решены проблемы радиации.

С добавлением грузовой версии BFS с огромным отсеком для полезной нагрузки и откидным обтекателем, BFR получил возможность возвращать с орбиты спутники. Это, наряду с его меньшими размерами, дало ему гораздо лучшее экономическое обоснование, чем было у ITS. SpaceX заявили, что этот дизайн станет преемником семейства Falcon 9. Возможные перелёты по маршруту Земля-Земля менее чем за час, пополнение запасов космической станции и полёты на поверхность Луны также упоминались как его дополнительные возможности.

Оснастка для намотки углеволокна в порту Лос-Анджелесса и Tesla Model 3 для масштаба Сredit: SpaceХ

В апреле 2018 года SpaceX объявили о получении разрешения на разработку своей BFR в порту Лос-Анджелеса. К этому моменту около 40 человек работали над проектом в палатке, умещавшей массивную оснастку для намотки углеродного волокна, которую SpaceX заказали для строительства BFR. Планы SpaceX предусматривали сборку ракеты-носителя в порту Лос-Анджелеса, а затем её транспортировку через Панамский канал к пусковому комплексу на мысе Канаверал, Флорида.

Версия 9 (Big Falcon Rocket/Starship-сентябрь 2018 г.)

Сredit: SpaceX

Следующая итерация дизайна значительно эволюционировала и дебютировала в сентябре 2018 года вместе с объявлением о миссии на Луну с участием японского миллиардера Юсаку Маэдзавы (Yusaku Maezawa). В конструкции произошёл скачок роста на 12 м -- до 118 м. Ускоритель BFR увеличился на 5 м -- до 63 м.

Длина BFS увеличилась на 15% -- до 55 м, в основном за счёт увеличенного герметичного отсека объёмом около 1100 мі. У BFS имелось 7 атмосферных двигателей Raptor с общей тягой 1400 тс. Это эквивалентно 9 самолётам А380.

Управлять кораблём помогали 2 передних «крыла» и 3 «крыла» на корме. Новый BFS также должен был иметь большое панорамное окно, которое в последний раз видели на ITS образца 2016 года.

Кроме того, Маск намекнул на возможность повторного внедрения вакуумных двигателей Raptor в Starship, но заявил, что «чувствует, что это последняя итерация с точки зрения широких архитектурных решений для BFR, BFS». В ноябре 2018 года последовало переименование: BFS стал называться Starship, а ускоритель -- Super Heavy. Вся система также стала именоваться -- Starship.

Сredit: SpaceX

В конце ноября SpaceX приступили к активным работам в Бока-Чика. Началось строительство странного сооружения, которое в начале приняли за водонапорную башню. 22 декабря 2018 года Илон Маск подтвердил в своём твите, что радикально переработанный двигатель будет готов к тестам в следующем месяце. На следующий день, после поездки в Бока-Чика, Маск объявил, что лётный стенд для проверки двигателя Raptor -- Starhopper строился там в течение нескольких недель.

Версия 10 (Starship - март 2019 г.)



Сredit: SpaceX

Десятая версия, анонсированная в январе 2019 года, стала насмешкой над предыдущим заявлением Маска о «последней итерации». Строительство Starship из углеродного волокна отставало. Десятая версия исправила это. Произошло одно из самых глобальных изменений программы разработки -- замена углеродного волокна на нержавеющую сталь 301-й серии.

Абляционная теплозащита PICA, присутствующая во всех предыдущих конструкциях, была заменена конструкцией регенеративного теплозащитного экрана. В нём жидкий метан будет испаряться под действием тепла и выходить из корпуса через микроскопические поры. Это отводит тепло от корабля, защищая его при входе в атмосферу. В интервью 24 января главному редактору Popular Mechanics Райану Д'Агостино (Ryan D'Agostino) Маск отметил, что ряд факторов привёл их к замене углеволокна на нержавеющую сталь: она лучше выдерживала структурные напряжения и была гораздо более термостойкой (816-871°С против 204°C). Стоила $3 за 1 кг против 135$, не имела средних показателей брака в 35%, как углеродное волокно, и с ней легче было работать. Она остаётся пластичной при криогенных температурах, в отличие от большинства сталей, и при этом имеет повышенную на 50 % прочность.

Нержавеющая сталь 301 - это высокопрочный стальной сплав, содержащий 16-18% хрома, 6-8% никеля, до 2% марганца, 1% кремния, 0,15% углерода, 0,045% фосфора, 0,03% серы и 0,1%. % азота. При комнатной температуре он может иметь минимальный предел текучести 205 МПа и сопротивляться окислению примерно до 788 °С.

Сочетание высокого предела текучести, термостойкости и хорошей коррозионной устойчивости делает его хорошим сплавом для деталей самолётов. Он широко используется в бытовой технике, вагонах метро, раковинах, столовой посуде и даже в столовых приборах. Нержавеющая сталь 301 также является превосходным материалом для резервуаров криогенного ракетного топлива. Предел текучести увеличивается примерно на 67% (от 310 до 517 МПа) при охлаждении от комнатной температуры до переохлажденного жидкого кислорода при температуре -196°С.

Неудивительно, что нержавеющая сталь имеет долгую историю в ракетной технике: одна из первых созданных орбитальных ракет-носителей, межконтинентальная баллистическая ракета SM-65 Atlas, использовала нержавеющую сталь. Для экономии массы в ракетах Atlas использовались очень тонкие баки из нержавеющей стали. Баки имели минимальную структурную поддержку, поэтому, чтобы оставаться в вертикальном положении, они должны были находиться под давлением. Точно так же и Starship, и Super Heavy будут иметь баки из нержавеющей стали. При этом, вероятно, они будут достаточно прочными, чтобы обеспечить наземное обслуживание без наддува баков.

9 февраля 2019 SpaceX провели первое огневое испытание полноразмерного двигателя Raptor.



Сredit: SpaceX

В апреле компания завершила строительство Starhopper. Он был построен из нержавеющей стали и имел единственный двигатель Raptor. 25 июля состоялось прыжковое испытание, когда прототип поднялся на 18 м над землей. В своём главном полёте 27 августа 2019 года он поднялся на высоту 150 м и сел на посадочную площадку.

Сredit: SpaceX

Также компания начала возводить Starship Mk1 -- первый полноразмерный прототип корабля. Starhopper же был отправлен «на пенсию» и стал самым большим штативом для камер одновременно играя роль водонапорной башни для нужд строителей.

Конструкция Starship снова начала меняться в мае 2019 года, когда корабль Starship получил 3 атмосферных и 3 вакуумных двигателя Raptor. Маск также упомянул возможность использования упрощённого двигателя Raptor без карданного подвеса, обеспечивающего тягу 300 тс на будущей версии. Были также объявлены дальнейшие подробности относительно стартового стола, который позволит запускать корабль с LC-39A на Мысе Канаверал.

Версия 11 (сентябрь 2019 г.)

Сredit: SpaceX

Представленный в сентябре 2019 года на презентации в Бока-Чика Starship Mk 1 был прототипом 11-й версии.

Starship был уменьшен на 5 м до 50 м в длину и отказался от 3-лепестковой компоновки «крыльев» в пользу 2 для лучшего контроля при манёврах в атмосфере, а также для уменьшения массы. Изменилась и теплозащита: компания использовала керамическую плитку вместо регенеративного теплового экрана. Приземление теперь планировалось на 6 опор вместо 4.

К Super Heavy добавили 6 двигателей Raptor, увеличив общее количество до 37, длина ускорителя увеличилась на 5 м до 68 м, у было 6 неподвижных посадочных опор. Использование 6 посадочных опор на Starship и Super Heavy снижает риски, поскольку отказ одной опоры не сможет стать критическим. Замена 3 кормовых «крыльев» на 2 с приводами позволяет улучшить как баланс, так и управление в атмосфере. Добавление 3 вакуумных двигателей Raptor существенно увеличивает грузоподъёмность Starship.

Преимущество перехода на керамическую плитку заключается в том, что не требуется криогенная жидкость, которая потенциально может забивать поры регенеративного теплозащитного экрана. Недостатком является то, что новая конструкция теплозащитного экрана, вероятно, потребует осмотра и замены повреждённых плиток после каждого полёта.

Credit: SpaceX

В результате Starship/Super Heavy будет иметь стартовую массу 5000 т с полезной нагрузкой при взлёте и высоту 118 м. Корабль будет вмещать 1200 т топлива и более 100 т груза. Грузовой вариант вмещает до 150 т груза. Первая ступень -- Super Heavy теперь вмещает около 3300 т топлива. Она имеет тягу в 7400 тс и 37 двигателей Raptor. Чтобы сравняться по тяге с Super Heavy, потребовалось бы 48 авиалайнеров А380, а масса одного лишь его топлива превосходит массу всей ракеты Saturn V.

5 декабря 2019 года SpaceX объявила, что приостанавливает большую часть строительных работ на своей площадке во Флориде (где собирался прототип Mk2 и Mk4). Вместо этого сотрудники будут переведены на работу либо на площадку в Бока-Чика, штат Техас, либо на площадку SpaceX на Мысе Канаверал.

Заложенный в январе прототип Starship Mk 3 был переименован в SN1, который впоследствии был разрушен в ходе испытания на герметичность 28 февраля 2020 года.

3 апреля 2020 года прототип SN3 был разрушен во время испытаний на герметичность.

Версия 12 (май 2020 г.)

Сredit: SpaceX

В двенадцатую версию проекта был добавлен ещё один вариант корабля: корабль-танкер. Новая версия начала обретать форму после того, как Илон Маск подтвердил ряд изменений в марте 2020 года.

Среди этих изменений был переход на конструкцию из низкоуглеродистой нержавеющей стали серии 304L с удлинением ступени Super Heavy на 2 м до 70 м, увеличением габаритной высоты всей системы до 122 м, увеличением общей массы топлива на 300 т и удалением 6 (а позже -- 9) двигателей Raptor. Новая версия двигателя Raptor имела более высокий показатель тяги, у корабля были добавлены новые 6-гранные выдвижные опоры с автоматическим выравниванием, а также другие потенциальные возможные изменения, включая улучшенные баки.

Улучшенные баки и более эффективная их форма приведёт к увеличению массы топлива и снижению сухой массы на обеих ступенях. Эти изменения увеличат массу полезной нагрузки и потенциально снизят стоимость в расчёте на один килограмм груза / одного пассажира. Улучшенные опоры повысят устойчивость ракеты при посадке.

30 апреля 2020 года было объявлено, что SpaceX выиграли контракт NASA по программе HLS (мегапрограммы Artemis) на сумму $135 млн на лунную посадочную версию Starship. Starship Lunar потенциально мог бы доставить на Луну 100 т груза и в 8 раз больше астронавтов, чем побывало на Луне в течение всей программы Apollo.

Планы SpaceX предусматривают полёт на космическом корабле на НОО, последующий запуск танкера, дозаправку Starship, более длительную орбитальную миссию Starship и полёт за пределы НОО. Всё это будет предшествовать демонстрационной непилотируемой миссии на Луну в 2022 году.



Credit: SpaceX

Чтобы уменьшить массу, лунная версия Starship не будет иметь крыльев и теплозащиты, а также будет использовать малые двигатели для посадки из-за риска поднятия пыли и образования кратеров при посадке на двигателях Raptor. 6 двигателей будут располагаться в верхней части корпуса корабля, конструкция аналогична концепции NASA Langley Hercules. Она также будет иметь 2 дублирующих друг друга воздушных шлюза. Однако Starship, на котором японский миллиардер Юсаку Маэдзаву отправится в облёт Луны, будет обычной модификации.

29 мая прототип SN4 был уничтожен вскоре огневого испытания двигателя. Проблема была вызвана неисправностью системы быстрого отключения наземного вспомогательного оборудования (GSE).

4 августа компания провела прыжковое испытание своего следующего прототипа, SN5. Он совершил успешный прыжок на высоту 150 м. За этим последовал прыжок прототипа SN6 -- 3 сентября.

Сredit: SpaceX

В сентябре 2020 года Маск анонсировал изменения в двигателях: Super Heavy теперь будет использовать только 28 двигателей Raptor, на 3 меньше, чем раньше. У обычных двигателей Raptor тяга будет увеличена на 5% с 200 тс до ~210, в то время как новая версия с фиксированной тягой будет развивать 300 тс тяги. 8 двигателей Raptor, установленных по центру, будут иметь возможность регулирования тяги и карданные подвесы для управления её вектором. 20 более мощных двигателей без возможности регулирования тяги будут расположены по краю корпуса.

Несмотря на уменьшение количества двигателей, общая тяга увеличивается на 3,8% -- до 7 680 тс. Потребуется не менее 51 авиалайнера А380, чтобы превзойти тягу Super Heavy.

Первый высотный полёт прототипа Starship состоялся 9 декабря, SN8 успешно взлетел на 12,5 км, совершил спуск, манёвр переворота, но не сумел совершить мягкую посадку и взорвался об посадочную площадку.

Также был представлен первый Raptor Vac - версия двигателя оптимизированная для вакуума.

Версия 13 (январь 2021 г./настоящее время)

В тринадцатой версии проекта количество нововведений превысило все мыслимые и немыслимые границы. Новая версия начала обретать форму после того, как Илон Маск, заявил о нескольких крупных изменениях, которые в первую очередь коснулись Super Heavy.

Credit: Elon Musk

Одним из крупных изменений был отказ от посадочных опор на Super Heavy и добавление 1 (а позже -- 5) двигателей Raptor, увеличив общее количество двигателей первой ступени до 33-х единиц. По текущим планам, Super Heavy, вместо посадки на площадку рядом со стартовым столом, предполагается ловить на специальные точки “руками” башни обслуживания, а затем переносить на стартовый стол для подготовки к новому запуску.

Также крупные изменения коснулись двигателя Raptor. Компания отказалась от версии двигателя с тягой 300 тс и решила делать версию Raptor 2 с тягой в 230 тс. Это повлекло за собой небольшие изменения в компоновке двигателей на Super Heavy. Теперь внутренние и внешние двигатели имеют одинаковую тягу в 230 тс, в отличии от прошлых планов, где внешние двигатели имели тягу 300 тс, а внутренние 200 тс.

На этом SpaceX решили не останавливаться и пересмотрели всю компоновку и конструкцию РСУ (реактивной системы управления, прим. ред). Сначала был анонсирован переход со стандартных азотных РСУ «на холодном газу» на РСУ «на горячем газу» (мини-ракетные двигатели, использующие в качестве топлива газообразные метан и кислород, находящиеся в баке в качестве газа наддува). Впрочем эта версия просуществовала относительно недолго, компания решила заменить РСУ простым и надежным методом стравливания газа наддува из баков, разместив четыре клапана, разнесённых друг от друга на 90°, в верхней части ступени. Небольшие изменения коснулись и решётчатых рулей, которые лишились механизма складывания и были попарно чуть сдвинуты друг к другу, также компания отказалась от юбки двигательного отсека.

Изменения коснулись и корабля, от его опор для земных посадок также отказались. Предполагается ловить его башней обслуживания на выдвигающиеся конструкции в райне носовых крыльев. В лунной версии опоры были заменены на новые, которые мы увидели в ролике, посвящённом проекту dearMoon. Для марсианской версии также планируются опоры с стиле лунной версии, но пока их окончательный внешний вид не представлен.

Также изменился дизайн большого панорамного окна в верхней части корабля, которое чуть сдвинулось от носа. Наиболее важным изменением стал “перенос” оси поворота передних крыльев ближе к подветренной стороне и верху корпуса. Это нужно для того, чтобы нивелировать контрпродуктивное влияние обтекательных элементов крыльев и уменьшить плечо силы. Также Илон Маск заявил о возможности добавления новых двигателей Raptor Vac для корабля.

Однако чуть больше технических изменений получил Lunar Starship, солнечные батареи которого «съехали» вниз, а количество посадочных двигателей, расположенных выше основных баков, увеличилось с 12-и до 24-х. Но вполне может оказаться, что от этих двигателей компания сможет отказаться, как недавно заявил Маск в интервью Тиму Додду, если основные двигатели корабля «не выкопают слишком большую ямку под собой».

Credit: SpaceX

Активной была и испытательная программа компании. Прототип SN9 полетел 2 февраля на 10 км, но взорвался на этапе посадки, SN10 полетел 3 марта и успешно сел, но из-за повреждений при посадке взорвался через несколько минут, SN11 полетел 30 марта и взорвался ввоздухе сразу после посадочного зажигания двигателей. Прототип SN15 полетел 6 мая и успешно выполнил все этапы полёта, мягко сев на посадочную площадку. Пропустив несколько прототипов после успешного полёта и посадки, компания началась сборку первого орбитального прототипа - Starship S20. Он впервые получил плитки теплозащиты, которые покрывают всю наветренную сторону корябля.

Также были собраны первые прототипы Super Heavy -- BN1, который собрали для оттачивания технологий сборки. BN3, изначально планировавшийся как первый орбитальный прототип, но ограничившийся наземными тестами, включая прожиг 3-х двигателей Raptor. И прототип BN4, который по планам запустит корабль Starship SN20 на орбиту. Знаменательным событием стала сборка августа полной системы Starship.

Credit: SpaceX

Заключение

Программа Starship уникальна и одна из самых амбициозных в истории космонавтики. На данный момент дизайн системы прошёл как минимум тринадцать итераций и сменил четыре разных названия! Несмотря на то, что размер и характеристики ракеты сильно менялись, сферы её применение наоборот расширились.

Изначально это была ракета, предназначенная для колонизации Марса, но теперь она рассматривается как универсальная ракета-носитель, которая когда-нибудь заменит семейство ракет Falcon. Ожидается, что она будет запускать спутники на околоземную орбиту, осуществлять перевозки людей и грузов по маршруту Земля-Земля, доставлять людей на Луну, в дополнение к своей первоначальной роли в качестве средства колонизации Марса.

Несмотря на неудачи со Starship Mk1, SN1 и SN3, взрыва SN4, взрывов SN8, SN9, SN10 и SN11, дальнейшие итерации кораблей и ускорителя Super Heavy становятся всё более похожими на настоящий Starship. Сочетание конструкции из нержавеющей стали, A/B-прототипирования, итеративной разработки и тестирования - позволяют сократить сроки разработки системы и до первого запуска полноценного Starship изучить все слабые стороны системы.

Если Starship действительно приведёт к новой эре в ракетной техники со своим полным многоразовым использованием, это откроет невероятные перспективы и новую эру космических полётов для всего человечества.

Credit: SpaceX

Размещено на Allbest.ru