Реферат: Эволюция Starship

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.