В многократном использовании средств выведения Маск видит ключ к удешевлению космических полётов. Основная техническая трудность здесь состоит в уменьшении (диссипации) огромной энергии, которой обладают ракетные ступени, сделавшие своё дело. Отделённые от ещё работающих частей носителя, они возвращаются в плотные слои атмосферы с высокой, гиперзвуковой скоростью, которую надо погасить, чтобы изделие плавно коснулось земли (или воды). Сделать это можно многими способами. Ни один из них не прост…
Начальные попытки воплощения идеи в металл оригинальностью не блистали. Уже первое детище SpaceX – лёгкий Falcon-1 – оснащалось «многоразовой» первой ступенью. Считалось, что спасти её после возвращения с границы космоса сможет простой парашют, который обеспечит плавное приводнение. GPS-маячок облегчит работу группы поиска и спасения, которая должна найти плавающий в водах океана ракетный блок, поднять на борт длинного «каноэ», скроенного из нескольких надувных моторных лодок, и отбуксировать в порт. Оттуда ступень доставлялась бы (на грузовике или самолёте) на космодром, проверялась, заправлялась и вновь использовалась в составе ракеты-носителя.
Первую ступень ракеты Falcon 1 должны были спасать на парашюте, мягко приводнять, подбирать в море и доставлять в порт для ремонта
В принципе, парашютная технология спасения давно отработана. Именно с её помощью приводнялись твердотопливные ускорители шаттлов. Во многом аналогичную схему (правда, с добавлением посадочных опор и двигателей мягкой посадки) предполагалось применить для спасения четырёх «боковушек» – блоков А первой ступени советской многоразовой системы «Энергия-Буран».
Приводнившиеся ускорители корабля системы Space Shuttle готовят к буксировке
Однако реальность оказалась сильнее предположений. Ни в одном из пяти пусков «Фалкона-1» первую ступень не удалось не то что спасти, но и даже обнаружить. Это и понятно: одно дело – приводнение шаттловских бустеров, изготовленных из стали толщиной в сантиметр, и совсем другое – вход в воду хлипкой жидкостной ступени с миллиметровыми стенками из алюминий-литиевого сплава, особенно при сильном волнении. Есть ещё и мнение, что первая ступень, не оснащённая системой стабилизации и хоть какой-то теплозащитой, до воды не долетала, попросту рассыпаясь на фрагменты при возвращении в атмосферу со скоростью порядка 5-7 Махов…
Вряд ли неудача обескуражила Маска – для него Falcon-1 оставался учебной ракетой, и «отрицательный результат – не просто тоже результат»: разработчики сделали вывод, что парашют в этом деле не поможет, и стали искать другое решение.
Несмотря на 135 полётов системы Space Shuttle, по мнению Илона Маска, крыльям в космосе делать нечего
Оно было найдено в идее реактивной посадки. Миллионер-ракетчик не без основания полагал (и заявлял об этом достаточно часто), что крыльям в космосе делать нечего. «Если человечество хочет стать видом, способным жить на многих планетах, в индустрии космических запусков необходим фундаментальный прорыв – быстрые и полностью многоразовые ракеты. Пока их нет, космический транспорт останется на два порядка дороже, чем должен быть… Представьте, что на каждый рейс вам необходим новый самолет. При этом лишь очень немногие люди смогут позволить себе купить билет и полететь… Надо чем-то жертвовать. Стоимость топлива на ракете Falcon 9 составляет лишь около 0,3% от общих затрат на пуск. Так, если транспортное средство стоит 60 млн $, то топливо в нем, может быть, лишь пару сотен тысяч долларов. Но вместе с сожженным топливом каждый раз приходится выбрасывать и ракету!» – рассуждал он несколько лет назад.
Первоначальная концепция полного спасения носителя типа Falcon с кораблём Dragon
В самом деле, крыло – достаточно тяжёлая и аэродинамически сложная конструкция, к тому же совершенно не используемая ракетой на участке выведения. Оно дорого обходится в изготовлении и съедает изрядную долю полезной нагрузки. Маск предложил заменить его дешёвым ракетным топливом, поскольку «килограмм конструкции на порядок (а то и на два) дороже, чем килограмм смеси керосина и жидкого кислорода». Пусть ракету тормозят её собственные двигатели!
Идея с реактивной посадкой тоже не нова: в начале 1960-х инженер из Douglas Филипп Боно предложил одноступенчатый носитель вертикального взлёта и посадки для запуска грузов на околоземную орбиту и последующего мягкого приземления. Спуск из космоса и вход в плотные слои атмосферы «бескрылый шаттл» должен был выполнять как возвращаемая космическая капсула с невысоким аэродинамическим качеством (например, как командный отсек «Аполлона» или спускаемый аппарат «Союза»), используя воздух для торможения и снижения скорости, и попутно совершая аэродинамический маневр для посадки в заданном месте. При простой форме, «рыхлой» компоновке (обусловленной наличием криогенных топливных баков) и большой площади лобового сечения (носитель рисовался как «графин» с широким дном) удельные тепловые и аэродинамические нагрузки на конструкцию ожидались значительно ниже, чем у крылатого возвращаемого аппарата. Остатки скорости вместо парашюта должны были гасить основные двигатели, потребляющие остатки топлива из баков.
Демонстратор DC-X создавался для проверки идей Филиппа Боно
Хотя проект Боно остался на бумаге, через 30 лет после него с земли поднялась первая в мире многоразовая ракета, использующая вышеуказанный принцип. Это был демонстратор, созданный по программе Delta Clipper Experimental Vehicle (DC-X) в интересах NASA и Министерства обороны США и показавший, что не только самолёт вертикального взлёта и посадки, но и ракетный аппарат может в условиях земной атмосферы взлетать, зависать в воздухе, перемещаться с места на место и выполнять мягкое приземление «на струе».
Увы, дальше демонстратора дело не пошло, но с тех пор с реактивной посадкой экспериментируют (хотелось написать «все кому ни лень», но…) некоторые американские частники, например Blue Origin и Masten Space. В 2007 году оригинальный проект ракеты-носителя «Россиянка» с многоразовой первой ступенью, возвращаемой к месту старта и садящейся с помощью ракетных двигателей, предложило КБ имени В. П. Макеева.
В период с 1993 по 1995 год демонстратор DC-X выполнил 12 полётов
Тем не менее именно Илон Маск внёс свежую струю в, казалось бы, не слишком популярную (во всяком случае, так себя и не показавшую на все 100 %) схему.
Для отработки идеи на основе первой ступени Falcon-9 был создан экспериментальный Grasshopper («Кузнечик»), оснащённый всего одним двигателем и примитивным посадочным устройством в виде рамы. Он совершил восемь не очень высоких «подскоков» на полигоне SpaceX в Макгрегоре, штат Техас, чтобы убедиться в работоспособности схемы.
Летающий стенд Grasshopper для демонстрации идеи вертикальной реактивной посадки
Ему на смену пришёл F9R-Dev1 для отработки зависания и маневрирования. Аппарат, построенный в 2013 году на базе стендовой первой ступени Falcon 9 v1.1, имел внушительные размеры (эдакая здоровенная макаронина длиной 42 м и диаметром 3,66 м), три двигателя Merlin 1D и четыре раскрывающиеся посадочные опоры.
В течение весны – лета 2014 года он четырежды воспарил над землёй, поднимаясь на максимальную высоту 1000 м. В третьем полёте, 15 июня, в верхней части корпуса появились четыре решетчатых аэродинамических руля. Их установили, чтобы повысить точность посадки – они дополняли реактивную систему управления с соплами на сжатом азоте, которая решала проблему ориентации на безмоторных участках полета
Демонстратор F9R-Dev1 совершил четыре успешных полета с зависанием в воздухе
Пятый полет наследника «Кузнечика» завершился аварией: из-за давшей сбой системы управления аппарат, поднявшийся в воздух, стал удаляться из дозволенной зоны и был уничтожен по команде с земли системой аварийного прекращения полёта.
На этом в лётной программе демонстраторов вертикальной ракетной посадки была поставлена точка. Первоначальные планы, предполагающие постройку прототипов и для испытаний на больших высотах и сверхзвуковых скоростях, канули в Лету: в них отпала необходимость. Убедившись в жизнеспособности идеи, руководитель SpaceX решил продолжить испытания… в реальных полётах носителя Falcon-9.
Схема спасения первой ступени носителя Falcon 9 v1.1 с посадкой на баржу
Маск привык всё делать быстро. Получив промежуточный результат, он тут же стремился развить успех. Благо носители для запуска грузовиков Dragon всегда имели избыток энергетики. В результате на свет появился Falcon-9R v1.1 с первой ступенью, оснащённой всеми необходимыми атрибутами: раскладными посадочными опорами, реактивной системой управления и аэродинамическими решетчатыми рулями.
Типовой сценарий миссии с возвращением на космодром старта предусматривал три тормозных импульса: первый замедляет полёт отделившейся ступени, создавая «мягкие» условия входа в атмосферу, второй разворачивает её к месту старта, а третий обеспечивает мягкую посадку. Поскольку Федеральная авиационная администрация (FAA — Federal Aviation Administration) не выдала сертификат, разрешающий полёты беспилотного аппарата (коим является спасаемая первая ступень) над сушей, было решено отработать реактивную посадку по-другому. Маск предпочёл сажать блок на специальную платформу в океане (идея, кстати, была запатентована Blue Origin, и SpaceX пришлось утрясать щекотливые вопросы, связанные с авторскими правами).
Посадка первой ступени на баржу. Рисунок художника
Как бы то ни было, Маск купил две самоходные баржи: одну для посадки в Атлантике при стартах с Канаверала, а вторую – в Тихом океане при стартах из Ванденберга. Платформа, названная автономным беспилотным кораблём-космодромом (ASDS — Autonomous Spaceport Drone Ship), имеет рабочий размер посадочной площадки чуть меньше стандартного футбольного поля — 50 × 90 м. Она способна позиционироваться в море с точностью до 3 м даже при шторме, используя информацию от GPS и балластные цистерны. Исполнительными органами служат многочисленные подруливающие гребные винты.
Самоходная баржа ASDS Just Read the Instruction
Однако первую пробную посадку выполнили в воду. Это произошло 18 апреля 2014 года в миссии CRS-3. Ступень, отделившаяся на высоте 80 км при скорости свыше 10 000 км/час, выполнила «управляемое сближение с поверхностью океана», но была разрушена волнами и утонула.
14 июля того же года, при запуске шести спутников Orbcomm-G2, состоялась вторая попытка мягкого приводнения. Ступень успешно пришла «в точку» с заданной ориентацией и скоростью, но после выключения двигателей вблизи поверхности воды разломилась и вновь затонула.
Первая и вторая посадки выполнялись на воду
21 сентября 2014 года в миссии CRS-4 мягкую посадку с раскрытием опор отменили, но ступень выполнила все положенные маневры приведения в заданную точку.
10 января 2015 года в полете CRS-5 была предпринята первая попытка посадки на баржу. Ступень смогла попасть в цель (уже высочайшая победа!), но приземление получилось слишком «жёстким»: не вовремя закончилась гидравлическая жидкость в решетчатых рулях, и ступень шла к барже далеко не в вертикальном положении. При ударе о платформу ракета улетела за борт и взорвалась.
Первая попытка сесть на баржу
В миссии DSCOVR, стартовавшей 11 февраля, из-за непогоды посадку на баржу отменили. Тем не менее первая ступень носителя смогла совершить мягкое приводнение в непосредственной близости от посадочной платформы, но тоже не дождалась группы спасения и затонула.
14 апреля, при запуске CRS-6, была предпринята вторая попытка сесть на баржу. Она почти удалась, но… что-то снова не рассчитали, и посадка закончилась взрывом. Несмотря на неудачу, стало очевидно, что Маск близок к успеху и рано или поздно решит эту задачу.
Вторая попытка сесть на баржу
Сам способ спасения громоздкой ступени вызывает множество вопросов, особенно связанных с возможностью мягкой посадки в расчётной точке при непогоде, которая часто случается на атлантическом побережье США. Но если Илон Маск освоит технологию спасения и экономически эффективного повторного использования ракетных блоков, ему можно будет смело ставить памятник при жизни. Пока же SpaceX намерена развернуть эксплуатационные испытания на полигоне Spaceport America в Нью-Мексико. Тесты должны ответить на многие вопросы, включая оценку реальных затрат на эксплуатацию многоразовых ступеней.
Второй «фишкой» SpaceX, безусловно, является техника для пилотируемых космических полётов. Маск первым среди «частников» смог создать (и всего за каких-то пять лет! Про деньги умолчим) вполне работоспособный корабль Dragon для полётов по околоземной орбите. Концептуально он напоминает некий гибрид «Союза» и «Прогресса», хотя по грузоподъёмности превосходит эти аппараты. О высоком уровне разработки (и использовании технологических решений, заимствованных у NASA) говорят автономная система управления, большой ресурс работы на орбите и вполне современный возвращаемый аппарат с многоразовой теплозащитой и парашютной системой приводнения. Эксплуатируемый ныне для доставки грузов (выполнено семь успешных миссий со стыковкой с МКС и последующим возвращением), изначально он проектировался для пилотируемых полётов. В принципе, по своим техническим параметрам Dragon уже сейчас мог бы доставить астронавтов на орбиту и вернуть их на землю, однако исходная версия не отвечает требованиям безопасности из-за отсутствия системы аварийного спасения (САС).
Dragon наравне с российским «Прогрессом», европейским ATV и японским HTV начал доставлять грузы на МКС
Казалось бы, самый простой путь превращения грузовика в пилотируемый корабль – это оснастить его традиционной САС, доработать систему жизнеобеспечения да поставить внутри вместо грузовых стоек кресла пилотов. Но мало того, что на деле всё сложнее, так это ещё и «не круто».
Маск не был бы самим собой, если бы не попытался блеснуть неординарным подходом. В мае 2014 года он презентовал пилотируемый Dragon v2. Внешне новинка сильно отличается от грузовика, хотя в её основе – тот же возвращаемый аппарат. Корабль имеет футуристический дизайн и скорее напоминает НЛО, чем традиционные космические аппараты землян. Интерьер также отличается новаторским подходом: лёгкие эргономичные кресла, полностью дисплейная «стеклянная кабина», необычные органы управления, спартанская отделка в стиле хай-тек…
Пилотируемый корабль Dragon v2 готов к презентации
Но главной изюминкой проекта является установка, объединяющая САС, систему маневрирования на орбите и реактивной мягкой посадки: восемь мощных двигателей SuperDraco (кстати, их детали «отпечатаны» на 3D-принтере) распределены в четырех боковых отсеках-наплывах возвращаемого аппарата. И опять же в этой идее нет ничего принципиально нового. Например, реактивную посадку корабля предлагали во второй половине 1980-х годов советские конструкторы из НПО «Энергия» в проекте «Заря», дошедшем до изготовления рабочих чертежей…
Разумеется, Маск видит Dragon v2 многоразовым, хотя «ретроградам» из NASA этого не нужно (напротив, им для каждого полёта на МКС подавай новый корабль!).
Испытание системы аварийного спасения корабля Dragon v2 на стартовом комплексе
От изготовления полноценного лётного «железа» для первого в истории частного пилотируемого космического аппарата SpaceX отделяют всего несколько шагов. Один из них был сделан 6 мая, когда стендовый образец Dragon v2 проверил САС на стартовом комплексе (Pad Abort). Впереди – аналогичные испытания в полёте ракеты в самых неблагоприятных условиях – при максимальном динамическом давлении.
В случае успеха тестов и после анализа информации корабль будет сертифицирован для полностью автоматизированной стыковки с МКС во время первой тестовой миссии, намеченной на 2017 год. В случае успеха через полгода состоится первый полет Dragon v2 с экипажем. До аварийного исхода миссии CRS-7 график полетов выглядел так: беспилотная демонстрационная миссия SpX-DM1 (Demo Mission 1) продолжительностью 30 суток планировалась на декабрь 2016 года, пилотируемая миссия SpX-DM2 (Demo Mission 2) продолжительностью 14 суток со стыковкой с МКС ожидалась в апреле 2017 года. В обоих случаях корабль совершает приземление на парашютах, так что реактивной посадке придётся подождать. А после аварии все графики неумолимо сползли…
Концепция марсианской колонии, которую поддерживала компания SpaceX
Наконец, любимой игрушкой Илона Маска является идея колонизации Марса – вполне в духе концепции «мультипланетарной цивилизации». Как-то миллионер-ракетчик сказал: «Было бы здорово родиться на Земле и умереть на Марсе (но не из-за удара о его поверхность)!» Пока марсианские экспедиции – самая сокровенная сторона деятельности SpaceX. Одно время для её реализации предполагалось использовать проектируемый ныне суперноситель Falcon Heavy (пуски должны начаться в конце этого – начале следующего года) и продвинутый вариант корабля Dragon v2, оснащённый всем необходимым и способный совершать посадку на Красную планету. По мнению Маска, для реализации планов потребуется гораздо меньше времени и средств, чем считают чиновники в NASA и большие шишки аэрокосмического бизнеса.
В 2013 году Маск преподнёс публике очередной сюрприз: объявил о начале работ над «Марсианским колониальным транспортом» MCT (Martian colonial transport), включающим не просто тяжёлый или сверхтяжёлый, а чудовищно мощный носитель BFR (Big f.king rocket – «чертовски большая ракета»). Мюллер – двигателист №1 в команде SpaceX – уже начал проработку метановых супердвигателей Raptor. Пока никто не может сказать, как будет выглядеть ракета и марсианский космический корабль, но, думается, когда их представят публике, это будет впечатляющее зрелище.
Для реализации планов Маску нужны гигантские носители типа BFR
Подводя итог, можно сказать, что за 13 лет стартап SpaceX вырос из небольшой команды энтузиастов в одного из монстров (ну хорошо, монстриков) ракетно-космической индустрии. Компания агрессивно заходит на рынок пусковых услуг (эксплуатирует три стартовых площадки на двух государственных космодромах и строит свой собственный коммерческий), работает сразу над несколькими амбициозными проектами, является одним из крупнейших в мире производителей космических носителей и – уже точно – крупнейшим в мире изготовителем жидкостных ракетных двигателей (проектная мощность предприятия в Хоторне – 400 Merlin 1D в год!).
Команда SpaceX счастлива иметь такого босса, который ведёт коллектив от победы к победе
Путь SpaceX в космос отмечен яркими успехами и горькими неудачами. Но удач всё же больше. Они базируются на нескольких китах.
Первый – тесное сотрудничество с государством, без которого немыслима современная космонавтика.
Второй – максимально полное использование уже известных технологий. Ни одна идея Илона Маска в области ракетно-космической техники не является абсолютно новой или оригинальной, но и руководитель, и его команда обладают несомненным талантом быстрого и эффективного воплощения их в жизнь. Характерный пример: концепция пилотируемой марсианской экспедиции без применения ядерных реакторов или другой экзотики – лишь доведённые до предела совершенства решения, известные еще 60 лет назад.
Третий – огромная целеустремлённость, работоспособность и лидерские качества руководителей SpaceX.
Четвертая основа успеха – стремление к быстрым непрерывным улучшениям. Маск – перфекционист: он действует по принципам «всегда есть лучшее решение» и «хорошее – враг лучшего». Такой подход таит в себе немалый риск, но до сих пор себя оправдывал.
Наконец, Маск и его соратники никогда не забывают про пиар: общественная поддержка – одна из основ эффективной космической деятельности.
Удержат ли эти пять китов непрерывно растущую махину SpaceX? Запасемся попкорном и будем наблюдать – жизнь покажет.
Посадка корабля Dragon на Марс в представлении художника