6 февраля американская компания SpaceX впервые запустила тяжелую ракету-носитель Falcon Heavy с космодрома на мысе Канаверал (Флорида). Два боковых стартовых ускорителя ракеты успешно вернулись на посадочные площадки возле космодрома, центральный блок сел неудачно на морской барже. В качестве полезной нагрузки компания выбрала личный автомобиль Илона Маска Tesla Roadster, который был выведен на гелиоцентрическую орбиту вокруг Солнца.
Рассматривая первый запуск Falcon Heavy как несомненный успех SpaceX, к которому она шла на протяжении семи лет, тем не менее, стоит разобрать новый ракета-носитель компании в существенных деталях, которые и станут определять будущее этого детища Маска.
Красный родстер на пути к Марсу
Чего нельзя забрать у Маска — так это способности к правильному пиару любых своих начинаний. В полной мере это относится и к произошедшему запуску ракеты Falcon Heavy. Большинство комментаторов обсуждает не оригинальные инженерные решения, использованные в ракете, а «картинку», которая была предоставлена SpaceX в качестве сопровождения первого старта.
Тут тебе и песня Life on Mars в исполнении Дэвида Боуи, которая якобы играет в динамиках запущенной к Марсу и астероидам Tesla, и банное полотенце, выданное манекену-водителю, и даже надпись «Don't panic!», любовно выведенная на бортовой магнитофон родстера под объектив камеры, транслирующей картинку прямо с борта красного автомобиля.
Нет сомнений — красный родстер земляне запомнят, точно так же, как запомнили Yellow Submarine легендарных «Битлз». Ну и картинка синхронно садящихся боковых ускорителей Falcon Heavy радует глаз — и у простых зрителей, и у тех, кто отмечает слаженную работу систем новой ракеты SpaceX.
Впрочем, за красивой картинкой скрывается отнюдь не столь же зрелищные результаты самой ракеты. Как ни странно, Falcon Heavy оказался даже менее эффективен, нежели Falcon 9 того же SpaceX и, более того, вообще может оказаться «лишней» ракетой.
Странно? Давайте разберемся.
Что у вас с полезным грузом?
Для начала давайте скажем честно, что единственной задачей любой ракеты-носителя является дешевый и надежный вывод грузов на низкую околоземную орбиту (НОО). Именно для этой орбиты Земли существует та самая «первая космическая», составляющая 7,9 км/с и позволяющая космическому аппарату достаточно долго находиться в свободном орбитальном полете вокруг Земли.
Полезная нагрузка на НОО и ее удельная стоимость за килограмм — это альфа и омега экономических показателей и инженерных возможностей ракеты. Именно по массе полезной нагрузки на НОО ракеты подразделяются на «легкие», «средние» и «тяжелые», а низкая стоимость за килограмм выведенного груза — это основа экономического успеха ракеты.
Конечно, еще одним специфическим, весьма емким рынком является запуск спутников связи на геостационарную орбиту, поэтому для этих целей сейчас практически всегда производится оптимизация ракет-носителей, разгонных блоков и даже космодромов — их стремятся располагать поближе к экватору. Такое положение космодрома позволяет использовать при запуске суточное вращение Земли и связанную с ним скорость вращения (в абсолютных значениях она больше у экватора), а также избегать дополнительных коррекций орбиты при выводе спутников на так называемые геопереходные орбиты при помощи разгонных блоков.
Кстати, именно в силу этих причин российский «Протон-М» хорош для запусков спутников на низкие околоземные или полярные орбиты, но сильно проигрывает Falcon 9 в случае запусков спутников связи на геопереходную орбиту. Во-первых, базовый космодром «Протонов», Байконур, расположен достаточно далеко на севере. А во-вторых, сама ракета в свое время оптимизировалась для запусков на НОО, а не для работы по доставке спутников на геостационар.
Впрочем, сейчас речь не о «Протонах», а о сравнении Falcon Heavy с детищем самого Маска — средней ракетой Falcon 9. Для понимания сути сравнения поясним, что Heavy — это три первые ступени «девятки», собранные в пакет и снабженные немного модифицированной второй ступенью той же «девятки». То есть, если говорить весьма условно, формула выглядит как-то так:
3 * Falcon 9 — 2 вторые ступени Falcon 9 = Falcon Heavy
Отсюда следует и экономическая логика: Heavy должна выводить на НОО практически столько же, сколько три «девятки». Поправкой на две вторые ступени можно пренебречь — в целом более тяжелые ракеты более эффективны не только в стоимости, но и в своей удельной массе в расчете на один килограмм полезной нагрузки.
И вот тут начинаются первые нестыковки. Heavy в одноразовом варианте, согласно рекламным проспектам, может вывести на НОО 63,8 тонны груза, а три «девятки» — 68,4 тонны (3 * 22,8 тонны). В столь же рекламируемом многоразовом варианте, который якобы благоприятно влияет на финансовые результаты SpaceX, разрыв становится и вовсе чудовищным — «девятки» теряют при этом 30–40% от массы полезной нагрузки, выводя на орбиту в пределе 41–47,9 тонн, в то время как Heavy «проседает», имея возможность забросить на НОО лишь 30 тонн. Как видите, за счет многоразовости Falcon Heavy не только становится обычной «средней» ракетой, но еще и «дарит» своим конкурентам от 11 до 18 тонн дополнительной массы полезной нагрузки на НОО!
Связано это с простым инженерным фактом: размер боковых и центрального ускорителей никак не оптимизировался под грузоподъемность Falcon Heavy, а для этого использовались минимально модифицированные первые ступени «девятки».
В первых инженерных проработках Heavy у команды Маска была, кстати, интересная инженерная идея — для компенсации такого рода ограничений предполагалось обеспечить перекачку остатков компонентов топлива из «боковушек» в центральный блок. Такой инженерный кульбит, по расчетам, если не позволял догнать «девятки», то мог хотя бы сократить разрыв до них. Однако впоследствии от такой красивой, но сложной в реализации идеи отказались — иначе Falcon Heavy и поныне не выбрался бы из «производственного ада».
Рынок диктует все!
Здесь пора вспомнить о владельце знаменитой «невидимой руки», его величестве свободном рынке. Как уже было сказано, большая часть современных ракет-носителей оптимизируется под запуски спутников на геостационарные орбиты. Обратное правило тоже действует — никто не создает спутник, который надо «запускать по частям», каждый из спутников на геостационаре проектируют под грузоподъемность существующих ракет-носителей.
При этом за последние 20 лет сложилась практика того, что на каждую «среднюю» ракету приходилось по одному спутнику на геостационар, который запускали или вообще в гордом одиночестве, или, как максимум, в компании каких-нибудь микроспутников-кубсатов, которые не сильно увеличивали полезную нагрузку. В итоге это и определило массу спутников связи на геостационаре в 5–7 тонн.
Конечно, определенное движение в направлении увеличении массы спутников на геостационаре тоже понемногу шло. Так, разработанный еще в 1970-х годах советский, а потом украинский «Зенит-3SL» мог выводить на геопереходную орбиту около 6,1 тонны, в то время как Falcon 9 последней модификации мог забрасывать туда уже 8,3 тонны в одноразовом варианте. Правда, такие запуски тяжелых спутников были все-таки редкостью, а вот многоразовый вариант «девятки» по-прежнему обеспечивал на ГПО все те же 5,5 тонны полезного груза.
С другой стороны, для Heavy полезная нагрузка на ГПО составляет 26,7 тонны в одноразовом варианте и около 13 тонн — в многоразовом. Это, по хорошему, целых пять спутников на геостационар в случае отказа от возврата ступеней — и «два с половиной» в том варианте, если ступени спасают. Ну или, «на вырост», сразу два тяжелых спутника связи на геостационар.
При таком подходе, понятное дело, запуски тяжелого конкурента «девятки» становятся в 2–5 раз более редкими, нежели запуски средней ракеты SpaceX. Получается, что лететь на Heavy — это не только дорого, но еще и долго, так как надо ждать очередного «попутчика», в виде спутника конкурирующей компании.
Кроме того, надо учитывать и тот неприятный факт, что спутники на геостационар надо «подвешивать» в разные точки этой орбиты, в зависимости от зоны вещания спутника, а это тоже создает потери как по времени выведения, так и по массе, в итоге доставляемой на геопереходную орбиту такой «маршруткой».
За подтверждением слов о том, что на существующем рынке запусков никто не ждет дополнительных возможностей Heavy, далеко ходить не надо. На первые три запланированных запуска уже объявлено по одному (!) спутнику, а отнюдь не по два или, тем более, по пять. Так что о стоимости доставки такого груза и доводочных испытаний Heavy можно только гадать — и это при весьма не впечатляющих результатах SpaceX даже на более эффективных и востребованных «девятках».
Яблони на Марсе
Ну и, наконец, о мечте. О том, что космические аппараты, запущенные с помощью Falcon Heavy, смогут полететь к Луне, Марсу или даже Плутону.
Надо сказать, что и тут у компании Маска наблюдаются показательные «шатания», определяемые как раз тем, что обычно ложка дорога к обеду, а не к тихому часу в детском саду.
В момент, когда была начата разработка Falcon Heavy, ситуация с запусками эксклюзивных космических нагрузок была просто катастрофической. У США с окончанием работы программы Space Shuttle были разом утрачены как возможность пилотируемых запусков, так и способность к выводу тяжелых спутников. Более того, принятое в начале 2000-х годов решение о создании полностью водородной ракеты Delta IV оказалось провалом.
Ракета, созданная полностью под военное ведомство и по его лекалам, проявила себя не только инженерным чудом, но и экономической катастрофой — каждый запуск Delta IV обходился бюджету в 435 млн долларов. Для сравнения, сейчас SpaceX утверждает, что готов запускать Falcon Heavy «всего лишь» за 90 млн долларов. Учитывая, что Delta IV (28,8 тонны) и Falcon Heavy (30 тонн) имеют практически одинаковую грузоподъемность, вариант от SpaceX выглядел настоящим спасением для «большой» американской космической программы.
Именно в силу этого дефицита «ракетной мощности» и в связи с неимоверной дороговизной существовавших ракет конкурентов Маска SpaceX получил «зеленую улицу» на создание Heavy, которой была обещана поддержка в том числе за счет государственных и военных заказов. Однако за прошедшие семь лет ситуация радикально изменилась — конкуренты Маска смогли перегруппироваться, учесть свои прошлые ошибки, и выкатить на финишную прямую сразу несколько прямых конкурентов Heavy.
Так, на конец 2019 года запланирован первый старт новой пусковой системы SLS, которую разрабатывает консорциум компаний под эгидой NASA. Несмотря на то, что у SLS есть все те же проблемы со стоимостью (при полезной нагрузке на НОО в 70–130 тонн единичный запуск SLS будет стоить 500 млн долларов), у этой ракеты есть несомненное преимущество в виде интеграции в американскую программу освоения дальнего космоса. Маск практически признал свое поражение в этой гонке, заявив, что его Falcon Heavy не будет сертифицирован для пилотируемых запусков, что является обязательным условием для участия в новой «лунной гонке».
Стоит добавить, что Heavy может пасть жертвой еще одного проекта… самого Маска, сделанного на грани мегаломании, — носителя BFR (Big Falcon Rocket, иногда шуточно называемой «Большая гребаная ракета»), который владелец SpaceX презентовал в сентябре 2017 года.
BFR намного больше по размеру, чем существующие ракеты SpaceX, и позволяет вывести на орбиту 150 тонн груза, являясь прямым конкурентом для ракет SLS от NASA. Планируется, что в начале 2020-х годов BFR заменит все существующие ракеты и космические транспортные системы SpaceX, обеспечив еще большую экономию в стоимости запуска.
Нетрудно понять, что основная идея Маска крутится вокруг все той же концепции «большого глупого носителя» (англ. Big dumb booster), который подразумевал создание максимально большой в существующих инженерных ограничениях химической ракеты, которая за счет эффекта масштаба могла бы обеспечить наиболее низкую возможную стоимость доставки груза на околоземную орбиту.
Такие ракеты с завидной регулярность проектировались в 1960–70-е годы. Например, в 1962 году инженер тогдашнего лидера космической отрасли, компании Aerojet, предложил проект морского старта громадной ракеты Sea Dragon, которая могла бы поднять около 500 тонн на НОО за раз. Один из таких проектов, названый OTRAG, даже дошел до стадии суборбитальных пусков — под эти цели были построены испытательный космодром в африканском Конго (Заире) и производственная линия для ракетных блоков в ФРГ.
Впрочем, все эти проекты и испытания выяснили одну из неприятных особенностей «большого глупого носителя». Несмотря на кажущуюся простоту концепции «возьмите молоток побольше», сама по себе конструкция химической ракеты ограничена в своих возможностях по выводу грузов на орбиту Земли. Попутно выяснилось, что кажущееся упрощение конструкции баков, систем наддува или двигателей большой ракеты тут же создает немалые сложности в системах управления, трубопроводах, турбонасосах, а то и приводит к элементарным вибрациям, вынуждающим тут же усложнять конструкцию химической ракеты.
Именно в силу таких инженерных неудач и экономических проблем закончилась, так и не начавшись толком, эксплуатация советской лунной мегаракеты Н-1. Был заброшен и забыт американский лунный гигант «Сатурн-5», отправлен в музей Space Shuttle…
Как показал первый запуск Falcon Heavy, не исключено, что такая же судьба постигнет и новое детище Илона Маска. Хотя красный родстер Tesla возле главного пояса астероидов с пустым скафандром в кресле водителя — это, пожалуй, даже концептуально.
Свежие комментарии