После удачного тестового полета IFT-5 следующее прорывное изменение от SpaceX — принципиально новые двигатели Raptor 3. Это будет не тестовый экземпляр для одного полета, а настоящая основа космической экспансии: их планируют выпускать по 500 штук в год — больше всех остальных двигателей для космических ракет во всех остальных странах мира вместе взятых.
Меня зовут Саша Березин, я автор команды спецпроектов МТС Диджитал. Сегодня расскажу, почему параметры новых двигателей могут обеспечить настоящую революцию в освоении космоса. А еще мы обсудим, сможет ли Илон Маск реализовать их потенциал.
Все мы знаем, что США высадились на Луну первыми потому, что получили двигатели с нужной абсолютной мощностью. Но вот их удельные параметры были довольно посредственными, поэтому их и не использовали после Лунной гонки. Да и в том факте, что после нее человечество более чем на полвека прекратило летать на другие небесные тела, тоже есть доля вины недостаточно совершенных ракетных двигателей.
В чем-то эта история повторяется: возможность вернуться на Луну, начать летать туда регулярно, а потом дотянуться и до Марса прямо зависит от ракетного двигателя. Это кажется удивительным: сейчас не времена Королева и фон Брауна, что можно изобрести нового в такой сфере, как ракетные движки?
Почему Raptor 3 такой шокирующе необычный?
Чтобы разобраться в этом, сперва нужно сравнить. Самый мощный ракетный двигатель для сверхтяжелых ракет, доставлявших людей в космос, — F-1. На нем взлетали «Сатурны» американской лунной программы. Любители российской космонавтики упомянут РД-170 для «Энергии», но расчеты принципиально не поменяются, а советский сверхтяж совершил всего два полета (и оба без людей). Тяга F-1 — 690 тонна-сил. Для сравнения: советский «лунный» ракетный двигатель НК-33, на котором ракеты летали в космос даже в 2020-х годах, имел всего 154 тонна-сил тяги. Неудивительно, что всего на пяти F-1 в первой ступени США смогли вывести в космос ракету для полета на Луну. Сравните: королевская ракета Н-1 требовала 30 двигателей НК-33 в первой ступени.
Как Raptor 3 и основанный на нем Starship смотрятся на фоне двигателей для межпланетных ракет прошлого века? На первый взгляд, скромновато: пока тяга Raptor-3 на испытаниях около 275 тонна-сил, и даже перспективная цель — всего 326 тонна-сил. В разы слабее F-1 из шестидесятых.
Кроме количественных, очень важны еще и качественные показатели. С точки зрения «потребителя» — ракеты — у ее двигателя два главных качественных параметра: удельный импульс и тяговооруженность. Удельный импульс тут — это количество секунд, которое ракетный двигатель сможет поддерживать тягу в 1 килограмм-силу, сжигая 1 килограмм топлива. Для любителей СИ — 1 килограмм-сила эквивалентен 9,8 ньютон, в которых выше указана тяга ракеты. F-1 из 1960-х на уровне моря имел удельный импульс в 263 секунды. НК-33 из начала 1970-х — 297 секунд. Raptor 3 на уровне моря — 327 секунд.
То есть НК-33 в 1,13 раза, а Raptor 3 в 1,24 раза экономичнее F-1. Это архиважное отличие: более 90% в массе ракеты приходится на топливо. Если вы на десятки процентов экономичнее, то сможете вывести на такой же по массе ракете куда больше полезного груза.
Вдвойне важна экономичность для многоразовой ракеты, краеугольного камня любой здравой космической программы нашего времени. Из-за необходимости потратить топливо на возврат обеих ступеней Starship в многоразовом варианте будет иметь полезную нагрузку только 200 тонн, а в одноразовом — 400. То есть полная многоразовость повышает расход топлива буквально вдвое.
Это совсем незначительно в плане цены топлива: полная заправка жидким метаном и кислородом для Starship стоит менее полутора миллионов долларов. Но это крайне значимо в плане цены ракеты: Starship многоразовый приходится делать примерно вдвое массивнее и дороже, чем одноразовый. Сейчас поясню на примере.
На примерах
Сначала про расход топлива. Представим, что вы начали ездить на машине не всегда в один конец, бросая ее в финальной точке маршрута, а с возвратом к себе домой. Расход топлива тоже вырастет в два раза, примерно как у SpaceX: бензин ведь на обратную дорогу возьмется не из воздуха.
Но у ракетостроителей проблема будет куда острее, чем в таком автомобильном примере. Им придется делать «машину» вдвое тяжелее и дороже. В такой ситуации двигатель, который в 1,24 раза экономичнее конкурентов, будет означать возможность снизить массу (и цену) ракеты на десятки процентов.
Есть еще и второй (крайне важный, хотя и меньше, чем удельный импульс) качественный показатель ракетного двигателя — тяговооруженность. Можно сделать его довольно экономичным за счет, например, больших сопел. Но тогда его масса взлетит так, что начнет «съедать» полезную нагрузку. Например, F-1 имеет тяговооруженность 94 (то есть может поднять в 94 раза больше собственной массы). А НК-33 — 136. Поэтому 30 двигателей первой ступени советской Н-1 «для Луны» по тяге существенно превосходили пять F-1 у «Сатурна-V», но вот их масса, как ни странно, была меньше.
Raptor в этом смысле смотрятся более чем прилично. Если Raptor 2 имел тяговооруженность лишь в 141,1, то Raptor 3 — уже в 183,6. То есть он «отъедает» от полезного груза вдвое меньше, чем делал бы его «земляк» времен фон Брауна.
Как обеспечивается двукратный выигрыш в характеристиках
В общем, несложно понять, отчего в ракетном мире вокруг этих движков такой ажиотаж. Вдвое более легкий (на единицу мощности), но при этом в 1,24 раза более экономичный, чем прошлый лунный двигатель, Raptor 3 выглядит настоящим прорывом. Но за счет чего это получилось?
Ключевая фраза здесь одна: полнопоточный закрытый цикл. Жидкостный ракетный двигатель открытого цикла работает так: керосин (горючее может быть и иным) и кислород горят не только в камере сгорания, но и в газогенераторе. Оттуда идет горячий газ, вращающий турбонасосы, которые подают топливо в камеру сгорания. Так работал F-1.
Слабость этого подхода очевидна: топливо, горящее в газогенераторе само по себе, тягу не обеспечивает. Оно расходуется на вспомогательную функцию — подачу топлива в двигатель. И эта функция очень энергоемкая: в Raptor 2 в каждый двигатель подается более 650 кг в секунду. У Raptor 3 цифра еще выше, но пока его испытания не закончены, ее даже не обозначают. Быстро подать столько жидкости по довольно тонким трубопроводам — большая работа.
Поэтому в 1960-х двигателестроители начали переходить на закрытый топливный цикл (придумал его двигателист Алексей Исаев еще в 1949 году). В таком цикле часть топлива после камеры предварительного сгорания дает горячий газ, тот проходит через турбонасос, а потом не выбрасывается, как в открытом цикле, а поступает в камеру сгорания, где дожигается.
Плюсов у такой схемы много. Дело не только в том, что топливо тут используется экономичнее. Важно и другое: раз горячий газ после турбонасосов не «вылетает в трубу», то на обеспечение турбонасосов можно отдать больше топлива.
А это позволит существенно поднять давление в камере сгорания. Как не сложно догадаться, с ростом давления растет и экономичность двигателя. Вот отсюда и взялся рывок в экономичности на 13% у советского НК-33 закрытого цикла.
Но Raptor не просто ЖРД закрытого цикла. Он еще и первый в мире летавший двигатель полнопоточного закрытого цикла (или полной газификации, «газ-газ»). Полнопоточный Raptor 2 уже летал в космос при испытательных запусках Starship, а Raptor 3 сохранит эту особенность конструкции и уже прошел первые прожиги на Земле. В этом смысле Raptor сделал то, чего не смог сделать первый двигатель такой схемы в истории — советский РД-270, чью разработку остановили на стадии наземных испытаний.
Полнопоточность означает, что в газ превращается не часть топлива, как в примерах выше, а сразу все топливо. У нового двигателя SpaceX есть пара камер предварительного сгорания. Первая сжигает небольшое количество метана в избыточном количестве кислорода. Вторая сжигает много метана при дефиците кислорода.
Оба потока горячего газа идут через турбонасосы. Несмотря на их высокую температуру, это не проблема: газа через них пролетает буквально много сотен килограмм в секунду, то есть тепло уносится от турбин эффективнее, чем в других вариантах ракетного двигателя. Значит, выше и ресурс турбин, а это важно для многоразовости.
После прохода через турбонасосы оба потока идут в камеру сгорания, где и дожигаются. В чем плюс по сравнению с обычным закрытым циклом? Тот использует всего одну камеру предварительного сгорания, и основная часть топлива попадает в камеру сгорания, еще не превратившись в газ. Естественно она испарится уже в самой камере и все-таки сгорит. Но на испарение потратится энергия (пусть и немного). Скорость горения такого исходно жидкого топлива будет ниже, чем скорость горения топлива, изначально переведенного в газ.
В результате удельный импульс полнопоточного ЖРД закрытого цикла на 7–8% выше, чем у просто ЖРД закрытого цикла. Это основной источник рывка в экономичности Raptor 3 в сравнении с советским НК-33 из 1970-х годов.
При всех прорывных особенностях двигатели Raptor еще и недороги: в серии SpaceX оценивает их в 250 тысяч долларов за штуку.
Как новшества в Raptor 3 повлияют на Starship
Нужно прямо сказать: в настоящий момент финальные характеристики Starship все еще в процессе уточнения. Только после испытаний о них можно будет говорить более-менее уверенно. А как известно, эти испытания максимально тормозятся правительственными агентствами США типа FAA.
Раздаются голоса о том, что SpaceX вообще нужно лишить возможности работать. Скажем, бывший министр труда США со страниц прессы говорит: «Илон Маск представляет собой явную и настоящую угрозу для национальной безопасности США. Чем скорее правительство США отзовет его допуск, расторгнет контракты с ним и подконтрольными ему организациями и создаст собственные альтернативы Starlink и SpaceX, тем безопаснее будет Америка».
Технические решения о схеме работы Raptor, выборе топлива для него, выборе материала для Starship и многие другие Маск принимал лично, часто вопреки воле своих инженеров, которых ему приходилось потом долго переубеждать. То есть без своего основателя SpaceX явно создаст совсем другой Starship.
И все же я склонен ожидать, что лишить его возможности работать с космической техникой не получится. Все дело в том, что у правительства США нет и в обозримом будущем не будет никакой альтернативы SpaceX. На это указывают десятилетние страдания Boeing по созданию пилотируемого космического корабля Starliner или четверть века работы компании Blue Origin, пока так и не закончившиеся ни одним орбитальным полетом.
Так что, скорее всего, ожидаемое влияние Raptor 3 на третью версию Starship все же реализуется на практике. И оно производит очень серьезное впечатление: вместо 121–124 метров, как у первой и второй версии Starship, ожидаемый Starship 3 достигнет высоты 150 метров. Из них 80 метров придется на первую ступень и 70 метров на вторую ступень-корабль.
Из заявки SpaceX в регулятора, правительственное агентство FAA, известно, что на третьей версии в носителе будет 44 двигателя Raptor: 35 на первой ступени и 9 (вместо исходных 6) — на второй. Получается, стоить они будут порядка 11 миллионов долларов. Полезная нагрузка «третьего старшипа» вырастет со 100 до 200 тонн в полностью многоразовом варианте. Герметизированный объем второй ступени-корабля будет в районе тысячи кубометров, то есть больше МКС. Собственно, в плане обитаемости это и будет МКС, только способная долететь до других небесных тел и вернуться обратно.
Что с конкурентами
Традиционные космические игроки не горят желанием разрабатывать новые ракетные двигатели, поэтому в железе они не то чтобы есть и не то чтобы активно испытываются. Практически единственный, кто играет хотя бы на том же поле, что и Raptor 3, — это двигатель BE-4 компании Blue Origin, принадлежащей владельцу Amazon Джеффу Безосу. BE-4 тоже на метане и жидком кислороде, поскольку метан горит почти без сажи, что важно для многоразовости.
Но есть нюанс: Blue Origin никогда не публиковало сколько-нибудь полные данные о своем двигателе. Компания указала его абсолютную тягу (250 тонна-сил) и удельную тягу — 340 секунд (даже не уточняя, на уровне моря или в вакууме). Кажется, что это не хуже, чем Raptor 3 (327 секунд на уровне моря, 380 секунд в вакуумной версии для второй ступени). Но на фото рядом с людьми легко видеть, что сопло двигателя BE-4 намного больше (оценочно не менее 1,8 метра), чем у Raptor (порядка 1,3 метра). Это значит, что BE-4 определенно тяжелее на единицу тяги: грубо его тяговооруженность должна быть в районе 80–100 против 180 у Raptor 3. Еще он не позволяет такой же плотной установки, как у Starship: сопла двигателей просто не влезут под ракету.
В итоге ракета New Glenn при диаметре семь метров будет иметь всего семь двигателей BE-4 в первой ступени, а Starship 3 при диаметре девять метров — уже 35 Raptor 3. Поскольку абсолютная тяга обоих двигателей сравнима, получается, что тяга первой ступени у Blue Origin в пять раз ниже.
Из-за этого полезная нагрузка New Glenn — кстати, она должна стартовать в ноябре 2024 года — будет только 45 тонн. Но и это не самое худшее последствие двигательного отставания: там еще и вторая ступень немногоразовая. Следуя за Маском в 2021 году, в Blue Origin задумались над многоразовостью и для второй ступени. Но этот проект Jarvis пока настолько далек от реализации, что даже неясно, как уменьшится полезная нагрузка New Glenn с многоразовой второй ступенью.
Почему так получилось? Почему параметры BE-4 ниже Raptor 3 до такой степени? Основная причина: владелец Blue Origin широко привлекал на работу людей из традиционных космических компаний. И не навязывал им свои идеи, иной раз идя через сопротивление инженеров, а принимал их концепции.
В результате BE-4 не имеет полнопоточности (просто закрытый цикл), давление в камере сгорания там в разы ниже, а все это ведет к меньшей экономичности по топливу и большей массе. 340 секунд он наверняка показывает только в вакууме, а на фоне 380 у Raptor 3 этого мало. BE-4 был бы отличным двигателем в начале 1970-х, на уровне НК-33, только еще и метановым. Но полвека спустя на фоне двигателей Маска он выглядит слишком традиционным.
А что же китайцы, про которых говорят, что они копируют вашу разработку быстрее, чем вы сами успеваете довести ее до конца? Три года назад они действительно поставили перед собой серьезные цели по созданию полнопоточного ЖРД закрытого цикла YF-215 для многоразовой ракеты Long March 9 на 150 тонн полезной нагрузки. Так же, как у западных конкурентов, ЖРД этот на метане и кислороде (и причина та же — нужна многоразовость). Но обсуждать тут пока особо нечего: если BE-4 хотя бы летал, то у YF-215 на сегодня не было даже полных прожигов самого двигателя (только камер предварительного сгорания). Учитывая, что целевой срок готовности Long March 9 лежит в 2033 году, это и логично.
Довезет ли Raptor 3 людей до Марса
Прорывной двигатель и даже ракета, которой он дает возможность стать по-настоящему инновационной, — это средство, а не цель. Цель Маска известна, и она та же, что и у Королева. Так же, как Королев проектировал Н-1 для Марса, но смог уговорить госзаказчика только на Луну, так и SpaceX, создавая Starship 3 и Raptor 3 для Марса, пока смогла уговорить госзаказчика только на Луну.
Но даже здесь начались большие проблемы. Во-первых, правительственное агентство FAA разрешает испытательные полеты Starship в разы реже, чем просит SpaceX. Скажем, компания готова к пятому испытательному полету с августа, но разрешение дали только 12 октября. А NASA не спешит вмешиваться, чтобы помочь Маску обойти госбюрократию. Дело в том, что Агентству выгодны задержки SpaceX по лунной версии Starship.
Для высадки на Луну нужен не только Starship HLS, но и готовый к полету космический корабль Orion. На нем NASA планирует вывести в космос людей для посадки на Луну, прямой старт на Starship в планы госконторы не входит. Агентство мотивирует это тем, что на борту Starship нет системы аварийного спасения.
Правда в том, что перевести астронавтов на орбите на Starship HLS можно было бы и с космического корабля Dragon. В американской космической среде склонны объяснять нужду в корабле Orion и, соответственно, ракете SLS другим соображением: каждый такой пуск только по операционным расходам стоит 4,1 миллиарда долларов. Ну а если учесть в них еще и прошлые затраты на разработку всего этого железа, то цифры эти, как констатирует американская отраслевая пресса, «легко удваиваются».
Общая оценка расходов NASA на программу только в 2012-2025 годах — 93 миллиарда долларов. А это большие деньги и дорогие рабочие места. Для сравнения: при фон Брауне каждая дополнительная миссия «Сатурна-V» к Луне (операционные расходы) стоила 2,3 миллиарда в современных долларах, то есть чуть не вдвое дешевле, чем в 2020-х.
Один полет Starship HLS не будет стоить даже миллиарда долларов: по расчетам самой SpaceX, его целевая стоимость где-то в районе 700 миллионов. Он слишком дешевый, чтобы Агентство было готово лететь на Луну на нем. Это фатальный и неустранимый недостаток: SpaceX может многое, но один полет за четыре миллиарда ей не под силу. Настолько непростые задачи — для игроков традиционного американского космоса.
В результате план предусматривает пилотируемый полет Orion до Луны (с экипажем), параллельный полет Starship HLS без людей и стыковку на орбите с пересадкой астронавтов в корабль SpaceX. Потом люди сядут на Селену, походят по ней и вернутся на орбиту.
Может ли Starship HLS с Raptor 3 все это обеспечить? Мое мнение: с большой вероятностью — да. Но проблема для NASA в том, что тепловой щит корабля Orion на испытательном полете дал серьезные повреждения по неизвестным причинам. Новый испытательный полет стоил бы четыре миллиарда, а таких денег нет. Без нового испытательного полета отправлять людей как-то боязно. Пока в агентстве так и не придумали, что же делать с этой дилеммой.
Кроме того, у NASA нет скафандров для высадки на Луне. Компания Axiom, которой заказали их создание, пока так и не представила прототипы с работающей системой жизнеобеспечения. А еще у нее трудности с оплатой счетов и массовые увольнения. Те фото, которая она недавно продемонстрировала, во многом напоминают снимки более ранних скафандров NASA из 2019 года. Collins, вторая компания, которой NASA заказало скафандр для внекорабельной активности, вообще сказала, что задача слишком сложная и она просто не будет ее выполнять.
Конечно, SpaceX делает свой внекорабельный скафандр. Пока он выглядит так себе: со шлангом для воздуха и без нормальной подвижности. Но компания развивается быстро и в теории могла бы успеть сделать и скафандры. Правда, вряд ли к 2026 году, на который формально намечено возвращение США на Луну.
Торможение испытаний Starship со стороны FAA сейчас выгодно для NASA: так агентство не спросят в Конгрессе, где его скафандры и почему проект Orion + SLS стоит 40+ миллиардов долларов, но так и не показал приличной работы теплового щита корабля на испытаниях.
Картинка: planetary.org
Получается, что пока ставить вопрос о том, сможет ли Starship с Raptor 3 доставить людей на Марс, преждевременно. Более актуален вопрос о том, будет ли вообще какой-то Starship в 2030-х или же Blue Origin удастся все же начать орбитальные полеты в этом году (и NASA переключит на него все внимание и денежные потоки).
С точки зрения политиков, вроде бывшего министра труда США, то, что New Glenn не сможет высадить людей на Марс, — вещь не самая значимая. А вот отзыв допуска Маска и расторжение всех контрактов со SpaceX — важны по-настоящему. Если такие политики не преуспеют, то с технической точки зрения Starship 3 с полезной нагрузкой в 200 тонн вполне достаточен для отправки к Марсу корабля с людьми. И даже для организации регулярных полетов туда уже в следующем десятилетии. Ведь сдержанно пессимистичные оценки цены вывода в космос для такой полностью многоразовой ракеты — порядка 100 долларов за килограмм. Этого достаточно для реализации идеи Сергея Королева о высадке человека на Марс уже в ближайший десяток лет.
Ключевое во всей этой ситуации именно слово «если». Пока технические успехи SpaceX куда больше, чем ее умение ладить с нужными людьми. Этому софт-скилу предстоит научиться, иначе марсианский проект Маска ждет та же печальная участь, что и марсианский проект Королева.
Автор: AlBerezin
