Проект SpaceX Starship Илона Маска или как человечество приближается к покорению Марса

Самый амбициозный космический проект современности – это starship (в переводе с английского просто звёздный корабль) компании Space x Илона Маска. Они не побоялись рискнуть и попытаться создать самую мощную в истории космонавтики ракету, которая сможет перевозить на другие планеты грузы и людей.

Проект Starship

Идея сделать полёты в космос доступнее появилась у Илона Маска в 2002, когда он основал SpaceX, однако в то время финансирования было недостаточно для разработки и создания Старшип.

В 2008 команда заявила о намерении создать сверхтяжёлую ракету, способную перевезти до 100 тонн. Изначально она проектировалась под именем ITS (Interplanetary Transport System, в переводе – меж планетарная транспортная система).

Затем проект переименовали в BFR (Big Falcon Rocket). В народе её называют просто «чертовски большая ракета». Основная идея – создать многоразовый космический корабль, способный достичь Марса, и прилететь обратно после дозаправки топливом, произведённым на красной планете.

С 2012 года компания сконцентрировала усилия на разработке многоразовой сверхтяжёлой ракеты-носителя, которая сможет перевозить рекордный вес.

По словам Маска, полноценный запуск Старшип случится уже в 2021. Он может быть неудачным, поскольку команда работает с новаторской идеей. До этого в космос не отправляли летательный аппарат, состоящий из 2 ступеней, вместо 3. Первая ступень – это разгонный блок, а вторая – звездолёт. Общая высота ракеты составляет 120 метров.

Ракета носитель BFR, нижняя ступень, была переименована в 2017 году в Super Heavy, а сам космический корабль назвали Starship. Обе ступени после вылета смогут вернуться на космодром и использоваться повторно после минимального сервисного обслуживания. Такой подход значительно уменьшит стоимость полётов.

Проект Space X Starship включает также систему дозаправки кораблей на орбите. Это необходимо при регулярном использовании кораблей. Специальные танкеры с топливом будут доставляться на орбиту.

Илон Маск считает, люди смогут отправиться на Марс уже в 2024. В будущем Старшип, произведённые Спейс Х будут вылетать с Земли не менее 3 раз в день, и за год совершат более 1000 рейсов. Это позволит отправить в космос 150 тысяч тонн необходимых материалов. Это положит начало колонизации красной планеты. Сам Маск неоднократно заявлял, что готов переехать с Земли.

Характеристики звездолёта

В отличие от ранее существовавших ракет, Старшип выполняет также роль 2 ступени. Это позволит аппарату достичь орбитальной скорости при вылете с Земли. Он проектируется таким образом, чтобы повторно входить в атмосферу Земли со второй космической скоростью (40320 км/ч) и приземляться на специально подготовленные площадки.

Характеристики звездолёта:

• высота – 50 м;
• диаметр – 9 м;
• сухая масса – 120 т;
• топливо 1200 тон;
• грузоподъёмность – 100 т.

В верхней части расположены шестиугольные элементы, которые защитят корабль от перепада температуры и давления при входе в атмосферу. Летательный аппарат сделан из нержавеющей стали – этот материал достаточно прочен, чтобы устоять под сильным воздействием при выходе из атмосферы, при этом обходится в 50 раз дешевле углеволокна. Нагреваемые детали будут охлаждаться жидким метаном. В верхней части Старшип установлены плавники, которые помогут при управлении и маневрировании.

Ракета взлетает посредством полного поточного ступенчатого горения. В качестве топливной пары используются жидкие кислород и метан. Они стоят дешевле привычного для отрасли водорода и могут добываться прямо на Марсе. В Старшипе установлено 6 двигателей Raptor.

Возможности космолёта:

• повторная отправка без сложного ремонта;
• доставка горючего на орбитальную станцию для дозаправки ожидающих звездолётов;
• способность долететь до Луны и Марса после дозаправки;
• отказоустойчивость – функция, позволяющая совершить посадку, даже если несколько моторов выйдет из строя;
• вариативность дизайна, возможность оптимизации для перевозки людей, транспортировки грузов или для исследований космоса.

В Звездолёте предусмотрено 1000 м3 герметичного пространства для заполнения.

Полезная нагрузка

Илон Маск планирует, что Старшип сможет доставлять на орбиту 100-105 тонн полезной нагрузки. Термин означает вес, ради которого создаётся звездолёт. Это может быть топливо, строительные материалы, а также люди. Вместительность стала возможной из-за мощной тяги и системы дозаправки на орбите.

Величина внешнего диаметра – 9 м, позволяет перевозить большее количество грузов, чем любые другие летающие в космос носители. Обтекатель звездолёта раскладывается для удобной погрузки. Структура остаётся в сложенном виде до приземления и момента, когда потребуется разгрузить аппарат. Предусмотрен также увеличенный обтекатель, если потребуется перевезти конструкцию высотой более 22 метров. Различные конфигурации Старшип позволяют производить разгрузку автономно.

Разгонный блок звездолёта Super heavy

1 ступень ракеты – это разгонный блок Super Heavy. Он будет построен из резервуаров, покрытых нержавеющей сталью, где разместят достаточное для взлёта и возвращения количество жидкого метана и жидкого кислорода.

Параметры разгонного блока:

• высота – 70 м;
• диаметр – 9 м;
• топливо 3400 тон;
• до 120 т сухой массы.

Нижняя часть конструкции оборудована 2-мя складными крыльями для маневрирования и 4-мя скрытыми опорами, которые обеспечивают устойчивость.

Ступень проектируется так, чтобы после запуска 2 ступени вернуться на Землю и приземлиться вертикально для быстрой перезагрузки. Она будет оборудована 28 ракетными двигателями Raptor общей тягой 7 680 тыс. тонн. Однако в первое время не планируется использовать полный комплект, а только 20 из них.

Raptor

Двигатели Raptor, которыми оборудованы обе части ракеты, разработаны компанией Space. Функционируют в закрытом цикле, превращая в газ все компоненты жидкого топлива (метана и кислорода).

Горючее в баках размещается в охлаждённом виде. Таким образом за счёт повышения его плотности увеличивается вес и уменьшается занимаемая площадь. Кроме того, хранение топлива в переохлаждённом виде повышает удельную тягу. Воспламенение горючего происходит по системе искрового зажигания, благодаря этому отпадает необходимость в пирофорной смеси, используемой на Falcon.
Space X планирует создать несколько модификаций Раптор. В разгонном блоке двигатели внешнего кольца будут упрощены, чтобы снизить удельный вес, стоимость производства и тягу.

В ноябре 2020 последняя модель Raptor успешно прошла огневые испытания при давлении 330 бар, и показала тягу в 225 тонн.

Варианты звездолёта

Проект предусматривает создание минимум 3 конфигураций Старшип:

1. грузовой – будет привозить на орбиту спутники, топливо, баки, обсерваторий и т.д.;
2. пилотируемой – используется для полётов с людьми и их багажом;
3. для межпланетных исследований.

Грузовая конфигурация оборудована будет способна автономно разгружать грузы. Ее планируется использовать также для перевозки грузов из одной точки Земного шара в другую.

Экипажная версия будет иметь объем порядка 825 м3. Этого будет достаточно для размещения 40 кают, больших общего пользования зон, хранилища и камбуза. Также там обустроят смотровую галерею и укрытие от солнечных бурь. Один рейс вместит 100 человек.

Предполагаемое использование

С самого начала мечтой Илона Маска было сделать людей межпланетным видом. И он планирует сделать это возможным уже в 2024. По мнению Маска, к этому времени завершится создание летательного аппарата, который сможет доставить людей к поверхности Луны и Марса.

Основные сферы использования Старшип:

• доставка спутников на орбиту по более низкой стоимости, чем это происходит сейчас;
• отправка людей и оборудования на МКС;
• коммерческие перевозки на Земле (через суборбитальные полёты добраться в любую точку земного шара можно будет в течение 1 часа по стоимости билета в эконом-класс);
• перевозка на луну грузов для создания базы исследования космоса;
• осуществление межпланетных полётов.

Планируется что разработки Спейс Х в будущем заменят все существующие космические транспортные системы в силу своей дешевизны и мощности.

Прототипы проекта Старшип

Создание действующего космического корабля требует не только большого количества времени, но и многочисленных тестов. Для этого Space X разрабатывает прототипы, полноразмерные и низко высотные. Каждая модель отличается от предыдущей. Таким образом команда Маска испытывает различные возможности системы. Результаты испытаний служат базой для разработки новых идей на пути к реализации проекта.

Неудачные опыты, включая те, когда прототип Starship взрывался при запуске, необходимы. Многие из них были запланированы – только так можно проверить предельные показатели работы системы.

Starhopper

Сборка первого прототипа завершилась в Бока Бок, Техас в январе 2019. Им стал Starhopper – 39-метровая версия корабля (конечная версия будет 120 метров в высоту). Она была создана для первых лётных испытаний, тестирования технологии производства и дозаправки топливных баков.

В марте начались испытания летательного аппарата. Они включали заправку Starhopper, тестирование систем надува и практически ежедневные запуски модели. 22 июля он совершил полет на высоте 18 метров, который продолжался 22 секунды. Однако во время многочисленных тестов было потеряно 2 двигателя, еще одни пришлось разобрать для доработки.

Финальное тестирование Стархопера произошло 27 августа 2019 года. Аппарат совершил 55-секундный полет на высоте 150 метров. На этом он завершил своё предназначение и используется компанией Маска только для прожига моторов.

Низковысотные прототипы

По состоянию на декабрь 2020 компания Маска разработала 13 прототипов Старшип. Всего их планируется порядка 20, причём каждый будет немного отличаться от предыдущего. Таким образом удастся найти оптимальный вариант сборки аппарата и конструкции двигателей. Илон Маск отметил, что для орбитальных полётов потребуется повысить качество сборки летательного аппарата.

Пока Стархопер проходил тесты, началось создание полномасштабных образцов: Starship MK1 и Starship Mk2. Две команды работали параллельно, используя разные методы и технологии. Сборка проходила в режиме соревнования, кроме того, команды должны были записывать все, чему научились в процессе. Starship MK1 был готов к концу октября 2019.

Испытания должны были показать, готов ли Старшип к воздействию низких температур и высокого давления. В результате прототип взорвался из-за недостаточно прочно сваренных швов. Команда Маска не посчитала это большой неудачей, ведь никто не рассчитывал, что на первой же модификации можно будет отправиться в космос.

Далее испытания проводили на полномасштабных версиях Starship SN1-6. Это привело ко многочисленным улучшениям конструкции и двигателя. Так, было доказано, что Раптор способен выдерживать необходимое давление. Опытные образцы Старшип SN3 и SN4 были разрушены.

Starship SN8-14

Starship SN8 – первый полноценный прототип будущей ракеты. Он почти полностью произведён из нержавеющей стали 304L. Носовая часть имеет обтекаемую форму и металлические складные крылья. 9 декабря 2020 года модель успешно прошла лётные испытания.

Опытный образец 8 выполнил вертикальный взлёт на 12,5 км . Набрав высоту аппарат выключил двигатели и совершил переворот в воздухе c помощью управляемых крыльев, двигаясь точно в точку приземления. Из-за слишком низкого давления в посадочных топливных баках приземление произошло слишком быстро и, коснувшись земли, SN8 взорвался.

В Space X испытание оценивают как успешное, ведь прототипу удалось совершить концептуально новый переворот, в возможность которого мало кто верил. Ещё перед взлётом на сайте Спейс Х появилось сообщение о том, что на данном этапе извлечённые уроки гораздо важнее удачно выполненных конкретных задач. Инженеры компании используют полученный опыт для следующих испытаний.

Уже через несколько дней планируется перевезти на стартовую площадку SN9. Также уже построен и готов к испытаниям прототип SN10 и строится тестовый ракетный ускоритель. Однако пока не сообщается, когда будут проведены следующие испытания. Также команда работает над опытными образцами SN11-14.

Этапы полёта на Марс

Для полёта к красной планете потребуется использовать 2 конфигурации. Как только Starship выйдет на околоземную орбиту, то исчерпает все топливо. Вернувшаяся на старт первая ступень подхватит другую модификацию Старшип – заправщик, загруженный топливом. Выйдя на ту же орбиту, что и звездолёт, заправщик частично наполнит его баки. После чего ему придётся вернуться на землю и повторить маршрут несколько раз. Только после нескольких дозаправок корабль с космонавтами сможет отправить на Марс. В среднем путешествие будет длиться 90 дней.

Космический корабль войдёт в атмосферу Марса на скорости 7,5 км/с, после чего произойдёт аэродинамическое замедление и мягкое приземление.

Система приземления людей на звездолёте

Планируется, что Startship сможет осуществить управляемый спуск, по аналогии с паданием парашютиста. Плавники на передней части ракеты помогут более точно направить её движение после того, как она начнёт свободное падение, войдя в атмосферу Земли, Марса или Луны. В нескольких сотнях метров над поверхностью корабль резко зажжёт двигатели и развернётся в противоположном направлении, противодействуя боковому ускорению.

Уже в декабре 2020 испытания покажут, насколько жизнеспособен и безопасен новый подход. Такая концепция сильно отличается от стратегии посадки falcon 9, которая оказалась удачной в 2019. Очевидно только то, что новый способ поможет сэкономить затраты топлива.
Хотя проект Илона Маска продвигается медленнее, чем его смелые прогнозы, уже сейчас очевидно, что скептики оказались неправы. Всего за 8 лет команде инженеров Space X удалось добиться невиданных ранее успехов. Такими темпами можно надеяться на то, что вскоре человек сможет высадиться на поверхности Марса.

Пригодилась информация? Плюсани в социалки!

• Образцы с Марса — путь на Землю
• Космическая программа Китая выходит в лидеры по освоению Марса
• Первая миссия Арабских Эмиратов на Марс – зонд «Надежда»