Недавній ажіотаж, спричинений серією запусків прототипів Starship, змусив багатьох з нетерпінням чекати відповіді на питання – коли нарешті з’явиться пілотована версія Starship і коли відбудеться його перший політ з екіпажем? Однак поза увагою багатьох досить часто залишається насправді важливе питання – якою виявиться конструкція пілотованого Starship? Адже нема сумнівів у тому, що цей корабель багато в чому буде радикально відрізнятися від базової вантажної версії… І кожна така зміна негайно перетворюється на дійсно складне технічне завдання, без якихось «простих рішень».
Вважається, що зараз у SpaceX працюють над чотирма різними версіями Starship – базова вантажна версія (саме її прототипи запускають в останні два роки), місячний посадковий модуль Human Landing System для програми Artemis, пілотований космічний корабель (умовне позначення Crew Starship) і танкер для дозаправляння на орбіті. Логічно припустити, що всі ці проєкти повинні використовувати якомога більше спільних елементів, але конструктивних відмінностей все одно буде набагато більше. Тобто на такий рівень уніфікації, як у поточних Crew Dragon і Cargo Dragon, складно розраховувати. До речі, цілком може бути ще одна версія Starship, розроблена для особливих місій – вантажопасажирська, тобто з двома окремими відсіками, для екіпажу та вантажів (своєрідний аналог Space Shuttle).
Цікаво, що в загальному доступі мінімум описів конструкції та компонування пілотованого Starship. У SpaceX переважно обмежуються художніми зображеннями зовнішнього вигляду такого космічного корабля. Головним чином, зустрічаються ескізи «на вільну тему», автори яких очевидно надихалися фантастичними фільмами на кшталт 2001: A Space Odyssey або концепцією орбітальної станції Skylab. Як відомо, у 70-х роках минулого сторіччя Skylab створювали на основі блока S-IVB, чи третього ступеню ракети-носія Saturn V. Враховуючи близькі розміри S-IVB (довжина 17,8 м, діаметр 6,6 м) і вантажного відсіку Starship (довжина 17 м, внутрішній діаметр 8 м), логічним було використання ідей компонування внутрішнього простору Crew Starship у стилю Skylab. Тому в інтернеті часто зустрічаються ескізи «багатопалубної» структури з чималими пілотськими кабінами (часом навіть з панорамними вікнами).
На цьому всі паралелі між орбітальною станцією Skylab і кораблем Crew Starship закінчуються. Адже зараз мова про проєкт багаторазового космічного корабля, який повинен здійснювати чимало циклів «запуск – орбітальний політ – посадка на Землю», тобто до його конструкції будуть зовсім інші вимоги. Головна особливість майбутнього Crew Starship – очікується, що в одному корпусі зосереджені відсік екіпажу, маршові двигуни (мінімум шість Raptor) і паливні баки, в які будуть заливати до 1200 т кріогенного палива. Всі попередні космічні кораблі завжди будувалися за модульним принципом – окремо розгінний блок чи ступінь, окремо сервісний модуль, окремо капсула з екіпажем… Навіть Space Shuttle з його трьома вбудованими маршовими двигунами SSME (вони ж RS-25) все одно отримав окремий паливний бак.
Однією з основних проблем є використання кріогенного палива – у Starship це рідкий метан (точка кипіння -161,58°C) і рідкий кисень (точка кипіння -182,96°C). Попри всі свої переваги, кріогенне паливо має чималий недолік – його складно зберігати у космосі тривалий час, що суттєво обмежує його повсюдне використання. Зазвичай кріогенні ступені (наприклад, розгінний блок Centaur з паливною парою водень-кисень) відпрацьовують свої завдання за кілька годин після запуску ракети-носія. Подібний варіант добре підходить для звичайного вантажного Starship, коли корабель швидко виходить на орбіту, за кілька годин «скидає» свій вантаж і повертається на Землю. Але очевидно, що такий короткий цикл не підходить для пілотованих місій, які будуть орієнтовані мінімум на кілька днів або тижнів перебування на орбіті.
Спочатку спробуємо визначити гіпотетичні основні параметри майбутнього Crew Starship – точніше, його відсіку для екіпажу. Зустрічалися чимало оптимістичних концепцій, з об’ємом герметичного простору 800-900 куб.м, тобто майже як у Міжнародної космічної станції. Але поки що зупинимося на більш поміркованій версії, що цей відсік становить собою циліндр діаметром 8 м і висотою 7 м – це якраз дасть об’єм 350 куб.м, як у Skylab. Виходячи з оголошеної (точніш, недавно скоригованої) вантажності Starship у 100-150 т, можна взяти за основу, що відсік для екіпажу з усією його інфраструктурою й обладнанням буде важити до сотні тон – на додачу до 1300 т паспортної повної маси другого ступеню Starship (100 т корпус з двигунами та 1200 т палива).
Потрібна відповідна система життєзабезпечення, яка здатна забезпечити оптимальні умови в відсіку такого об’єму. І це не враховуючи того факту, що екіпаж Crew Starship цілком може складатися з 10-15 осіб… Для порівняння – капсула космічного корабля SpaceX Crew Dragon (штатний екіпаж 4 особи) має герметизований об’єм 9,3 куб.м. Тобто малоймовірно, що тут спрацює варіант простого «запозичення» і масштабування наявної системи життєзабезпечення в 30-40-50 разів. Доведеться все створювати з нуля – з врахуванням досвіду подібних систем на Міжнародній космічній станції (понад 900 куб.м), Skylab (350 куб.м) або Space Shuttle (65,8 куб.м). Напевно будуть використані всі поточні напрацювання з проєкту місячного модуля Human Landing System, з відповідним врахуванням іншого кількісного складу екіпажу й інші умови роботи корабля.
Чергове питання – якою буде система для орієнтації та маневрів корабля на орбіті (Reaction Control System, або RCS)? Зараз поки відомо, що на прототипах Starship використовують спрощені метаново-кисневі двигуни витискувальної схеми (без турбонасосів, паливо надходить завдяки тиску в баках), які заживлені від загальної паливної системи. Чи збережуть їх на Crew Starship (враховуючи проблеми зі зберіганням кріогенного палива на орбіті), чи все ж віддадуть перевагу більш традиційному рішенню – створять окремий контур з двигунами на гіперголічному паливі (гідразин і його похідні)? Наприклад, Space Shuttle був обладнаний 46 різними двигунами для орієнтації та маневрування, при цьому брав на борт понад 13 т відповідного палива (тобто гідразин, монометилгідразин, тетроксид азоту). Якщо подібну схему використати на Crew Starship, то скільки таких двигунів і палива буде потрібно?
Перелік складних технічних завдань постійно збільшується – тривале зберігання кріогенного палива на орбіті, система життєзабезпечення (фактично, класу для орбітальних станцій), система орієнтації та маневрування космічного корабля… Додамо до цього відповідну енергетичну систему, на яку напевно припаде чимале додаткове навантаження у вигляді майбутньої системи зберігання кріогенного палива з усім її обладнанням. Але на тлі всіх цих питань насправді нечасто виникає чи не найважливіше питання – якою повинна бути система аварійного порятунку (САП) для корабля з такими параметрами? Особливо якщо припустити, що на Crew Starship все буде зосереджене в одному корпусі – маршові двигуни, паливні баки, відсік для екіпажу з усією відповідною інфраструктурою. І вчергове нагадаємо, що екіпаж подібного корабля теоретично може складатися з 10-15 астронавтів.
Майже всі попередні та сучасні космічні кораблі створювалися таким чином, що в випадку якоїсь надзвичайної ситуації на початковій стадії польоту пілот/екіпаж або капсула з екіпажем можуть швидко залишити аварійну ракету. На кораблях «Восток» і Gemini були передбачені катапультні крісла. Для Mercury, Apollo, «Союз», Shénzhōu, Orion, Gaganyaan була розроблена САП у вигляді носової «щогли» з твердопаливними двигунами, яка швидко «відриває» капсулу з астронавтами від ракети-носія й відводить її в сторону, після чого здійснюється спуск на парашуті. SpaceX Dragon 2 обладнаний вісьмома гідразиновими двигунами SuperDraco, які вбудовані в капсулу. Подібна схема САП на Boeing CST-100 Starliner, тільки чотири гідразинових RS-88 вбудовані в сервісний модуль.
Чи не єдиним космічним кораблем, який не мав повноцінної системи аварійного порятунку, був Space Shuttle (можна ще згадати радянський «Восход», з якого прибрали катапультні крісла, щоб отримати багатомісний корабель). Не було можливості обладнати Space Shuttle ні катапультними кріслами (неможливо розташувати 6-8 таких крісел в герметичній кабіні, в оточенні критично важливого обладнання), ні катапультованою капсулою (неконтрольоване ускладнення конструкції корабля та збільшення маси)… Будь-які заходи порятунку в випадку надзвичайної ситуації можна було здійснити лише в тому випадку, якщо екіпаж зберігав контроль над кораблем – повернення до місця запуску та посадка в Флориді, посадка на резервних посадкових смугах в Європі/Африці або, в найгіршому випадку, посадка корабля на воду десь в океані. Але якщо відбувається руйнування основних елементів конструкції Space Shuttle, екіпаж приречений – саме це сталося з Challenger (28 січня 1986 року) і Columbia (1 лютого 2003 року).
Якою повинна бути конструкція майбутнього Crew Starship, щоб з точки зору безпеки екіпажу він не перетворився на сумний аналог Space Shuttle? Катапультні крісла тут не придатні – як через невеликий діапазон їх використання (обмеження за висотою та швидкістю польоту), так і через складнощі з їх монтажем у кораблі (особливо у випадку екіпажу з 10-15 осіб). Можна трохи пофантазувати й уявити, що весь герметичний відсік Crew Starship становитиме собою велетенську капсулу (діаметр 8 м, висота 7 м, маса від 50 до 100 т) – у випадку аварійної ситуації можна терміново скинути зовнішній корпус корабля, «відстрілити» капсулу та відвести її в сторону (як під час запуску, так і при входженні в атмосферу).
Але в цьому випадку виникає ціла лавина технічних питань. Наприклад, очевидне ускладнення конструкції Crew Starship – на кшталт «подвійного корпусу» (зовнішній з теплозахисною оболонкою, внутрішній для відсіку), системи екстреного розділення зовнішнього корпусу-обтічника, щоб вивільнити відсік з екіпажем і т.д. Окреме питання – якими повинні бути двигуни САП для капсули такого розміру та маси? Можна дослідити деякі параметри сучасних систем аварійного порятунку. Для «Союзу» (маса до 7,5 т) на щоглі САП використовується блок з твердопаливними двигунами тягою приблизно 75 тс. На SpaceX Dragon 2 (повна стартова маса 12,5-14 т) вісім двигунів SuperDraco забезпечують тягу 55-56 тс, а на Boeing CST-100 Starliner (маса 13 т) чотири двигуни RS-88 повинні забезпечити тягу 72 тс.
Тобто співвідношення тяги двигунів САП і маси корабля – щонайменше 4 до 1 (насправді ще вище, десь 7-8 до 1). Для розуміння масштабів завдання – система аварійного порятунку для місячного корабля Orion становить собою справжню «вежу» висотою 15 м і масою 7,7 т (з них понад 2,5 т припадають на паливо). При цьому основні твердопаливні двигуни САП повинні видавати тягу до 175-180 тс, час їх роботи становить лише 2 секунди, протягом яких спалюються 2 т палива. І це для космічного корабля повною масою 24,5-26 т (капсула плюс сервісний модуль). Можна створити подібну носову «вежу» для Starship – тільки якими будуть її розміри та маса (виходячи з того, що двигуни САП повинні забезпечувати тягу щонайменше десь в межах 350-400 тс)? Потрібно також взяти до уваги той факт, що в SpaceX раніше ніколи не працювали з серйозними проєктами твердопаливних ракетних двигунів.
Інший варіант – вбудувати такі твердопаливні бустери системи аварійного порятунку всередині корпусу, якраз під відсіком для екіпажу. Але їх «сусідство» поруч з баками на 1200 т палива виглядає насправді ризикованим – нескладно уявити, що може статися у випадку випадкового спрацювання хоча б одного двигуна САП… Крім того, подібний варіант компонування внутрішнього простору Crew Starship може призвести до відчутного зменшення герметичного об’єму корабля. І ще одне питання навздогін – якою повинна бути парашутна система, щоб без проблем «приземлити» таку капсулу масою від 50 до 100 т?
Черговий ймовірний варіант системи аварійного порятунку – розташувати в носовому конусі Crew Starship відносно невеликий космічний корабель рівня Crew Dragon, з усіма перевіреними вузлами (двигуни SuperDraco, парашутна система і т.д.). Під час запуску та повернення на Землю екіпаж перебуває в цій «командно-рятувальній шлюпці», після виведення корабля на орбіту переходить до основного відсіку. Правда, цей варіант також призводить до суттєвого ускладнення конструкції Crew Starship – наприклад, потрібна повноцінна система переходу між головним відсіком корабля та «шлюпкою», яка б відповідала цілій низці вимог (рівень безпеки, можливість швидкого переміщення астронавтів у такому «переході» і т.д.). Можливо, виникне потреба у збільшеній версії Crew Dragon, розрахованій на 10-15 осіб – адже нинішній Crew Dragon розрахований на штатну чисельність екіпажу з 4 астронавтів, з можливим збільшенням за потреби до 6-7 осіб.
Очевидно, більшість спроб якось змоделювати структуру майбутнього Crew Starship негайно викликає цілий каскад різноманітних технічних питань. Великі розміри корабля та чимала кількість потужних двигунів все одно не стали готовим «простим рішенням» – вони хоч і можуть розв’язати частину технічних питань, але негайно народжують нові клопоти… Цікаво, яким виявиться реальний варіант Crew Starship від SpaceX? Варто зазначити, що зараз розглядалися лише початкові варіанти космічного корабля для польотів біля Землі та Місяця. У випадку з гіпотетичним пілотованим «марсіанським» Starship рівень складності наступних технічних завдань буде зростати в геометричній прогресії…
Телеграм-канал автора статті, присвячений різним космічним темам і подіям – Space&World (https://t.me/UAspaceandworld)