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.