20 апреля 2023 года самая большая за всю историю космоплавания ракета Starship компании SpaceX Илона Маска стартовала с космодрома Бока-Чика в Техасе, на высоте 38 км над Землей стала вращаться и заваливаться, дважды перевернулась и полетела к Земле. В это момент центру управления пришлось отдать команду на самоликвидацию, и ракета взорвалась.
Общая длина двухступенчатой ракеты – 120 м, а все – 4900 тонн. Первая ступень, ракета Super Heavy оснащена 33 двигателями Raptor (20 маршевых и 13 рулевых), которые могут вывести на околоземную орбиту до150 тонн полезного груза. Вторая ступень, космический корабль Starship, оснащен шестью двигателями Raptor (три маршевых и три рулевых). Обе ступени задуманы как многоразовые и возвращаемые.
Американскую лунную ракету «Сатурн-5», которая выводила в космос 140 тонн полезной нагрузки, поднимали 11 керосино-водородных двигателей (5х 5). Советская ракета «Энергия», способная выводить на орбиту до 200 тонн полезной нагрузки, была оснащена всего четырьмя кислородно-керосиновыми ускорителями РД-170 первой ступни и четырьмя кислородно-водородными маршевыми двигателями РД-012 второй ступени.
Получается, что возможно выводить на орбиту до 200 тонн полезной нагрузки пари гораздо меньшем числе маршевых двигателей. Почему же Илон Маск, вернее, его инженеры, решили пойти по пути создателей советской лунной ракеты «Н-1», оснащенной 30 двигателями?
Дело в том, что команда SpaceX заточена на радикальное снижение затрат на космические запуски и, похоже, экономят даже на научно-техническом обеспечении и математической поверке аванпроектов своих амбициозных прожектов. Аванпроект – это научное исследование, которое обосновывает выполнение качественно новой разработки.
В итоге уровень «вибраций трубопроводов и подвесов связки двигателей», как пишут в сетях, оказался настолько высок, что вся конструкция гигантской ракеты потеряла жесткость, что вызвало отказ шести двигателей, наблюдаемые в трансляции взрывы и выход из строя механизма отстыковки первой ступени. Вдобавок, стартовая площадка была полностью разрушена мощнейшим импульсом тридцать ракетных движков.
Нельзя не согласиться с ветераном российской космической отрасли Дмитрием Конаныхиным, что «сидящие в тени шоумэна Илона Маска настоящие инженеры Space eXploration лихо отмасштабировали технологии [ракеты среднего класса] Falcon-Full Thrust до гигантомании "лунной" Н-1 и "марсианской" Starship, оказалось, что в этой части Вселенной, всё-таки, сохраняются законы природы и "физика ты бессердечная сука"».
Устранить разрушительную вибрацию и болтанку гигантской ракеты Starship в принципе можно, если изготовить ее из на порядок более жёстких материалов (которых пока не изобретено) или потратить миллиарды долларов на новые тестовые старты, чтобы выявить все слабые места конструкции гигантской ракеты и поставить туда новые сотни датчиков, чтобы автоматика гасила даже малейшую вибрацию.
Бытует мнение, что Илон Маск – гениальный манагер, и рано или поздно он «допилит» Starship до приемлемого уровня безаварийности. Это вполне возможно и даже ожидаемо. Вспомним, как долго и упорно команда Маска пыталась научить многоразовую ракету Falcon 9 совершать вертикальную посадку на землю и даже на морскую платформу. Это был классический случай игнорирования известных каждому грамотному инженеру законов физики.
Теоретическая база управляемого спуска космических аппаратов на любую планету давно разработана в рамках спутниковой баллистики. Все в принципе сводится к решению так называемой задачи Коши (Огюстен Коши – великий французский математик), которая состоит в нахождении решения дифференциального уравнения (описывающего траекторию спуска), удовлетворяющего конкретным начальным условиям. Задача Коши решается в рамках так называемой теоремы единственности, которую учат на первых курсах технических вузов.
Так вот, специфику особенностей приземления на любую планету замечательно и что самое главное – доступно для понимания – описал великий российский математик, академик Владимир Арнольд, которому ее в свою очередь растолковал специалист по спутниковой баллистике Михаил Лидов на примере причаливания пароходов к пристани:
«При каждом причаливании корабля к пристани в последний момент матрос бросает на пристань чалку, которую там быстро наматывают на кнехт (часто это делает, спрыгнув на пристань, тот же матрос), после чего заключительная часть причаливания происходит вручную, путем вытягивания чалки. Объясняется все это так. Автоматическое причаливание, в соответствии с общими принципами теории управления, основано на обратной связи: наблюдая оставшееся до причала расстояние, управление выбирают так, чтобы скорость причаливания плавно уменьшать до нуля… По теореме единственности, время причаливания будет бесконечным при любом таком механизме гладкой обратной связи. Чтобы причалить за конечное время, нужно либо отказаться от принципа регулирования, заменив управление скоростью корабля работой матроса с чалкой, либо согласиться на удар корабля о причал в заключительной стадии причаливания (для чего и обвешивают край пристани отслужившими автомобильными покрышками). То, что все это никогда не обсуждается математиками ни в курсах теории динамических систем и дифференциальных уравнений, ни в теории управления и оптимизации, – это, конечно, прискорбное последствие длительного отрыва математиков от реального мира, от физики и техники, в своеобразную башню из слоновой кости аксиоматической науки. Миша Лидов понял все рассказанное не в рамках аксиоматизированной науки (которую он прекрасно знал), а потому, что занимался расчетом посадки космических кораблей на Луну, где встречается та же проблема, что и с кораблями у пристани. Из-за работающей здесь против нас теоремы единственности космические станции, спускаемые на Луну или планеты, снабжены демпфирующими треногами с суставами, и некоторое время они должны при посадке попрыгать на этих треногах, пока непогашенная энергия не будет диссипирована в процессе изгибания колен ног треноги».
Таких треног нет на спускаемой первой ступени космического корабля Илона Маска Falcon 9. На записанном видео одной из мягких посадок на морскую платформу, кстати, хорошо видно, что тормозные реактивные двигатели работают до самого контакта с платформой. То есть вместо того, чтобы бросить чалку, которую просто неоткуда взять, «тормозят сандалией», как это делает плохой велосипедист на крутом спуске.
В итоге Falcon 9 все же научился садиться в вертикальном положении безаварийно. Общее число посадок достигло 181. Из них успешных – на землю – 17, на морскую платформу – 74.
Но вот недавно Макс заявил, что перспективный с его точки зрения Starship заменит все другие разработанные SpaceX ракеты: Falcon 9, Falcon Heavy, а также грузовой и пилотируемый Dragon V2.
Получается, что все эти ракеты были лишь прототипами перспективного Starship, который, кстати, возвращаться на землю будет иначе, чем Falcon 9.
Похоже, что инженеры из команды Маска все-таки одолели курс спутниковой баллистики и отказались возвращать многоразовые ракеты, «тормозя сандалией». Они, наконец, нашли чалку, к которой будет «причаливать» новая ракета.
Теперь взлетать и садиться ракету-носитель Space Heavy и космический корабль Starship при их возвращении на Землю будут с помощью гигантской башни с механизированной рукой под названием Mechazilla (механическая Годзилла).
Илон Макс продемонстрировал видео, на котором первая ступень, Space Heavy, с помощью тормозных двигателей и решетчатых рулевых крыльев опускается к башне с Mechazilla, укладывает свою верхнюю часть прямо в ее стальные объятья, зацепляясь решетчатыми крыльями за руки железной Годзиллы.
И вот тут становится ясно, что в команде Маска работают ведущие инженеры из числа разработчиков наземных пусковых шахт стратегических ядерных ракет США. Подвеска ракеты на опорах за верхнюю часть практикуется именно для МБР шахтного базирования.
Зацепляясь на опоры своей верхней частью, ракета Space Heavy (как и капсула с шахтной МБР) испытает встряхивание, а с ним растягивающую нагрузку. Если бы этот толчок пришелся по низу ступени, нагрузка была бы сжимающей — как у первой ступени Falcon 9, у которой посадочные опоры внизу и которая садится пока на землю сама, без помощи стальной Годзиллы. Почему для Super Heavy выбрали подвешивание за верхнюю часть? Чем растягивающая нагрузка лучше сжимающей?
Все просто: при сжатии конструкция теряет устойчивость при гораздо меньшей силе давления, чем при растяжении.
Нельзя не похвалить Илона Маска, вернее инженеров его команды, что в данном случае они законы физики уважили.
Представляется, что и вторая ступень, то есть сам космический корабль Starship будет возвращаться на землю с помощью стальной Годзиллы, что гораздо надежней, чем посадка с помощью «торможения сандалией».
Этот не отменяет любви Илона Маска к эмпирическому пути поиска новых конструктивных решений, то есть методу проб и ошибок (научного тыка) и отработке оптимальных вариантов с помощью не компьютерного моделирования и тонких математических расчетов, а банальных краш-тестов.
Он может позволить себе такой путь в дальний космос лишь благодаря неограниченному финансированию его разработок со стороны американского государства.
Но последствия крайнего старта Starship оказались настолько катастрофичными, что, похоже, инженерам SpaceX придется-таки засесть за учебники физики.
Ракета образовала облако пыли, которое распространилось на шесть миль над местом запуска, обрушив обломки на город Порт-Изабель. По словам жителей, запуск был похож на землетрясение, сообщает New York Times. Воздушная волна при запуске ракеты выбила окна в городе. Общественное радио Техаса сообщило, что местные жители Порт-Изабель сфотографировали «пепел», падающий с неба.
Мэрия Порт-Изабель сообщила, что «Отдел по управлению чрезвычайными ситуациями округа Кэмерон подтвердил, что пыль, выпавшая сегодня утром в Порт-Изабель, была песком и землей со стартовой площадки SpaceX, поднятой в воздух силой подъёма».
Запуск ракеты оторвал также куски бетона от основания стартовой площадки Starship и оставил огромный кратер в земле под стартовым столом.
А что Маск? Сидит, вестимо, бедолага и твердит: «Физика, ты бессердечная сука!»
Владимир Прохватилов, старший научный сотрудник Академии военных наук