Главная » Космос » Колонизация Марса: Как компания SpaceX сделала космонавтику доступной

Колонизация Марса: Как компания SpaceX сделала космонавтику доступной

18053

12 апреля 1961 года в истории человечества началась космическая эра: Юрий Гагарин впервые облетел Землю на корабле «Восток». Через 55 лет после исторического полета Гагарина произошло событие, которое не уступает ему по своему значению. Компания SpaceX впервые в истории совершила мягкую посадку ракеты-носителя Falcon на морскую платформу. И тем самым открыла путь к феноменальному удешевлению космических полетов. Уже в ближайшее время – в разы. А в перспективе нескольких лет – в десятки и более раз.

Что случилось

12 апреля 2016 года – именно в 55-ю годовщину полета Гагарина — в порту Канаверал во Флориде пришвартовался корабль. Не авианосец, не круизный лайнер и не яхта миллиардера, а обычное судно, переоборудованное по вполне прозаической барже. Однако груз, который находился на палубе этой баржи – а на самом деле автономного беспилотного корабля-космопорта «Of Course I Still Love You» — вероятно, является самым ценным из того, что перевозили корабли в нынешнем веке. Он привез в порт первую ступень ракеты Falcon 9, которая успешно села на этот корабль четыре дня назад.

Морская платформа
Первая в истории посадка ракеты на морскую платформу. Ракета высотой с 11-этажный дом, баржа размером с футбольное поле

Напомним, 8 апреля, частная космическая корпорация SpaceX запустила ракету-носитель Falcon 9 с космическим кораблем Dragon, который должен доставить груз на Международную космическую станцию. Это было важное событие для космонавтики — Dragon впервые летел на МКС после прошлогодней аварии, и вез на борту экспериментальный надувной (!) жилой модуль BEAM – прототип будущих орбитальных станций.

Видео посадки

Однако самое интересное началось после того, как первая, самая мощная, ступень ракеты-носителя выполнила свою функцию и отделилась от ракеты. Высота при этом составляла около 200 км, скорость – чуть меньше 2 километров в секунду. Но в отличие от «традиционных» пусков ракет, степень не упала в море. Она развернулась и включила три двигателя из девяти, чтобы уменьшить горизонтальную скорость. После этого степень начала снижение в атмосфере – управляемое специальными аэродинамическими рулями, которые корректировали траекторию. На финальном этапе полета три двигатели снова включились, гася скорость до нескольких метров в секунду. Ракета выпустила три «лапы»-опоры и осуществила мягкую посадку на палубу автономного корабля.

Посадка, снятая камерой с борта ракеты

Почему это важно

На первый взгляд, возврат части ракеты после полета выглядит как интересный технологический трюк, и не более того. На самом же деле это событие имеет колоссальное значение для космонавтики: потому что открывает доступ к космосу не только государствам, но даже сравнительно небольшим частным компаниям. По сути, в этой сфере происходит то же, что некогда случилось с морскими путешествиями: если Магеллан или Колумб не могли осуществить своих экспедиций без поддержки королевской власти, то впоследствии плавания через океан стало под силу фактически любым предприимчивым негоциантам.

Баржа с ракетой заходит в порт

Как известно, человечество осваивает космос уже более полувека. За это время удалось достичь многих впечатляющих успехов. Однако они существенно уступают тем чаяниям, которые были распространены в начале космической эры. Скажем, такой феноменальный успех, как высадка человека на Луне, не получил продолжение – после закрытия проекта «Аполлон» новых полетов на Луну не было, а планы создания постоянной базы так и остались нереализованными. Проект многоразового корабля Space Shuttle, который опередил свое время на десятилетия, был закрыт. Более того, на замену ему в США не оказалось ничего – и пришлось покупать места для полетов на МКС на российских кораблях «Союз».

Портовый кран выгружает ракету
Кран

Причина этому известна – она чисто экономическая. Запускать ракеты стоит астрономически дорого – 70-100 миллионов долларов и выше «рядовой» полет. И все это время считалось, что уменьшить эту стоимость невозможно: ведь все без исключения компоненты ракеты не могут быть использованы повторно. Попытка решить эту проблему путем создания многоразовых «шаттлов» потерпела неудачу: оказалось, что поддержка «багаторазовості» стоит значительно дороже, чем сделать и запустить новую «одноразовую ракету. Выхода из этого замкнутого круга не было. И тут на сцену вышел Илон Маск, миллиардер, инженер и учредитель частной космической компании SpaceX.

Маск и Марс

SpaceX отнюдь не был первым частным аэрокосмическим предприятием, которое строит ракеты. Однако эту компанию отличала цель, с которой ее основал Маск. Он хотел колонизировать Марс.

И это не эксцентричные фантазии богача. Маск считает, что для выживания человечества необходимо, чтобы оно распространилось на другие планеты Солнечной Системы. А лучшим кандидатом для «скорой» колонизации является Марс. Однако для того, чтобы говорить даже не о заселении, а хотя бы о пилотируемый полет на Красную Планету, нужно радикально снизить стоимость космических полетов.

Корабль Dragon приближается к Международной космической станции
Корабль

Маск изучил рынок и обнаружил, что аэрокосмическая отрасль не может предложить того, что нужно для реализации его цели. Поэтому он решил сделать это самостоятельно – и основал SpaceX. Меньше чем за 10 лет эта компания создала «полноценную» ракету Falcon 9, грузовой корабль Dragon. И сейчас успешно зарабатывает деньги, выводя на орбиту спутники и обеспечивая грузами Международную космическую станцию (а в следующем году ожидаются первые полеты пилотируемых «Драконов»).

При этом SpaceX применяет нетипичную производственную модель. Если большинство аэрокосмических концернов отдают значительную часть проектных задач на «аутсорс» другим исполнителям (так делали Королев и фон Браун, и с тех пор ничего по сути не поменялось), то SpaceX почти все делает «у себя». Благодаря этому компании удалось существенно снизить себестоимость, и соответственно, предложить на рынке услуг по выводу спутников едва ли не самые низкие цены – на 25-40% меньше, чем у конкурентов. Однако и этого было недостаточно. И тут Маск выдвинул идею, которая поначалу казалась совершенно нереалистичной: возвращать «отработанные» ступени ракеты на Землю, и использовать их повторно.
Посадить ракету

Эту идею тоже вряд ли можно назвать новой: во время запуска «Шаттлов» боковые твердотопливные ускорители садились в море на парашютах и затем «перезаряжаемые». Однако практика показала, что это неэффективно – погружение в соленую воду и риск повреждений компонентов заставляли тратить на «обновление» больше денег, чем ушло бы на изготовление нового ускорителя. Более того, большие ракеты невозможно спускать на парашюте. Ракета – это длинная тонкостенная труба из алюминиевого сплава. Она хорошо выдерживает нагрузку по вертикальной оси, но боковые удары деформируют ее, как пивную банку. А при парашютной посадке такие удары неизбежны.

Поэтому Маск предложил новую концепцию – сажать Falcon на реактивной тяге. Идея удивительно остроумная с инженерной точки зрения. Почти все, нужное для посадки, и так есть на борту – двигатели и топливо, системы управления. Добавляются только опоры и аэродинамические рули – а тяжелый парашют или «крылья» не нужны. Тягой реактивных двигателей можно очень точно управлять и сажать ракету с «вертолетным» точностью.

Авария РН Falcon 9 в июне 2015 отложила полеты этой ракеты на полгода

А как же дополнительное топливо – это же «лишняя» стартовая масса? На самом деле проблема не такая существенная, как кажется. Во-первых, «лишнее» топливо и так есть – на этапе отделения первой ступени в ее баках остается определенное количество керосина и окислителя. Во-вторых, инженеры SpaceX придумали эффективный способ увеличить ресурс топлива на борту. Для этого они… применили более сильное охлаждение керосина и жидкого кислорода, которым «заправляют» ракету. Это дало возможность «плотнее» заполнить баки.

Для отработки технологии посадки была создана специальная модификация ракеты Falcon. Первую модель назвали Grasshopper – «кузнечик». Она имела высоту 32 метра и «зафиксированы» посадочные опоры. Тестовые испытания начались в 2012 году – Grasshopper поднимался на реактивной тяге, зависал и потом возвращался в точку старта. При этом ракета «училась» компенсировать влияние ветра, совершать боковые маневры и тому подобное. Максимальная высота полета Grasshopper составила около 300 метров.

Испытательный полет Grasshopper
Полет

Следующая модель — Falcon 9 Reusable Development Vehicle – по сути представляла собой «полноценную» первую степень «обычной» ракеты. Она была в полтора раза выше Grasshopper, и имела складные, а не зафиксированные опоры. Испытательные полеты начались в 2014 году – на высоту до 3 км. И завершились аварийно – в одном из полетов отклонения превысили критическую черту, и оператор дал команду на самоликвидацию ракеты.
В море и на суше

Однако на то время было уже понятно, что концепция работает. С 2013 года SpaceX во время штатных пусков ракет имитировала возврата первой ступени – ракета совершала торможение, выходила в нужную точку траектории океана и падало в воду. Шесть таких псевдопосадок обеспечили достаточный опыт для того, чтобы решиться сажать ракету «по-настоящему».

Для этого SpaceX приобрела несколько больших барж типа Marmac и переоборудовала их в автономные корабли-космопорты. В частности, на баржах установили четыре двигателя, которые удерживали корабль в заданных географических координатах с точностью меньше метра. Кроме этого, их оборудуют системами компенсирования морского волнения – такими же, какие используют на буровых платформах. Два корабля получили названия в честь разумных кораблей из произведений писателя-фантаста Иэна Бэнкса. Первый назвали «Just Read The Instructions» («Просто прочти инструкцию»), второй – «Of Course I Still Love You» («Конечно, я все еще тебя люблю»).

Морская посадка является оптимальной с точки зрения энергетики полета – судно выводят в ту самую точку, где падает первая ступень. Кроме этого, устраняется риск неконтролируемого падения на головы людей – неизбежен во время посадки на сушу. Но добавляются осложнения: погодные условия, волнения на море и тому подобное. Поэтому SpaceX применила сразу две концепции посадки на сушу и на море. Обе оказались успешными.

Посадка на сушу в SpaceX вышла с первой попытки – 21 декабря 2015 года первая ступень ракеты Falcon 9 приземлилась на площадке космодрома на мысе Канаверал.

А вот в море все происходило значительно драматичнее.

Первая попытка посадки – у ракеты не хватило гидравлической жидкости, потеря управления на финальном этапе, жесткая посадка, степень разбилась о корабль.

Вторая попытка – вышел из строя клапан одного из двигателей ориентации, ракета не успела компенсировать боковое отклонение, перевернулась и взорвалась.

Третья попытка – идеальная мягкая посадка, однако одна из трех посадочных опор не зафиксировалась (вероятно, из-за обледенения). Ракета упала и взорвалась.

Четвертая попытка была обречена на неудачу – осуществлялся очень сложный пуск на высокую орбиту, который требовал максимального ускорения ракеты и оставлял минимум топлива для торможения. Однако степень все же точно попала в корабль – и пробила дырку в палубе. Картина, вероятно, была страшноватая – это единственная попытка посадки, полный видеозапись которой так и не обнародовали.
Дешевый космос

Насколько существенной может быть экономия? Илон Маск рассказывал, что себестоимость изготовления одного РН Falcon 9 — это примерно 16 миллионов долларов. Зато стоимость горючего для такой ракеты – в районе 200 тысяч долларов. Даже если сажать не обе ступени, а только первую (а это уже сделано), то себестоимость – с учетом обслуживания на посадку, оценку состояния ракеты, обслуживания и т. п. – уменьшится с 16 до 5-6 миллионов долларов.

Анимационный ролик Falcon Heavy — следующей тяжелой ракеты, SpaceX, первый пуск которой запланирован на этот год

Но и это еще не все. С каждым повторным пуском стоимость полезного груза, который ракета выводит на орбиту, постоянно будет снижаться. Маск на пресс-конференции, посвященной успешному запуску и посадке Falcon 9, заявил, что рассчитывает использовать «возвращены» ступени еще 10-20 раз. А после будущих инженерных усовершенствований – до 100 раз.

Это же, кстати, касается и космических кораблей, которые разрабатывает SpaceX – они также спроектированы как многоразовые, с прицелом на режим использования «запустил на орбиту, приземлил, заправил горючим, запустил снова».

Что это означает? Одна только SpaceX имеет производственные планы изготовить на ближайший год около 40 ступеней ракет. Если каждый из них можно будет запустить хотя бы 10 раз, это уже 400 пусков. Вместо десятков тонн выводимого на орбиту груза рынок получит возможность выводить сотни, а потом и тысячи тонн ежегодно. Новые спутники будут стоить не сотни миллионов долларов, как сейчас, а десятки — а то и дешевле. Заказчикам не нужно будет волноваться, чтобы орбитальный аппарат проработал 10-15 лет – так через год-два можно запустить лучше и дешевле.

Анимационный ролик Dragon v. 2 — будущего пилотируемого многоразового корабля SpaceX. Первый полет запланирован на 2017 год

Это открывает возможности, описание которых похож на цитирование фантастических романов. База на Луне и на Марсе. Гигантские орбитальные станции – в том числе и частные. Производственные и гостиничные комплексы на орбите. Добыча полезных ископаемых на астероидах – от железа и никеля до золота и платины. Скоростной и экстремально дешевый спутниковый интернет в любой точке планеты. Лавинообразный всплеск научных исследований: любой университет сможет позволить себе собственный спутник, а то и космический корабль.

Сейчас на пути к этому будущему остался лишь один этап – успешный запуск «восстановленного» носителя. Степень, которая осуществила посадку 8 апреля, должно совершить следующий полет в мае или июне. Ждем и держим кулаки.

Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показанОбязательные для заполнения поля помечены *

*