Недавний ажиотаж, вызванный серией запусков прототипов Starship, заставил многих с нетерпением ждать ответа на вопрос – когда наконец появится пилотируемая версия Starship и когда состоится его первый полет с экипажем? Однако вне поля зрения многих часто остается действительно важный вопрос – какой окажется конструкция пилотируемого Starship? Нет сомнений, этот корабль во многом будет радикально отличаться от базовой грузовой версии… И каждое такое изменение сразу превращается в действительно сложное техническое задание, без каких-либо «простых решений».
Считается, что сейчас SpaceX работает над четырьмя разными версиями Starship – базовая грузовая версия (именно ее прототипы запускают в последние два года), лунный посадочный модуль Human Landing System для программы Artemis, пилотируемый космический корабль (условное название Crew Starship) и танкер для дозаправки на орбите. По идее, все эти проекты должны использовать как можно больше общих элементов, но конструктивных отличий все равно будет намного больше. То есть на такой уровень унификации, как у нынешних Crew Dragon и Cargo Dragon, рассчитывать трудно. Кстати, вполне может быть еще одна версия Starship, разработанная для особых миссий – грузопассажирская, то есть с двумя отдельными отсеками, для экипажа и груза (своеобразный аналог Space Shuttle).
Интересно, что в открытом доступе минимум описаний конструкции и компоновки пилотируемого Starship. В SpaceX больше ограничиваются художественными изображениями внешнего облика такого космического корабля. В основном, встречаются эскизы «на свободную тему», авторы которых явно вдохновлялись фантастическими фильмами вроде 2001: A Space Odyssey или концепцией орбитальной станции Skylab. Как известно, в 70-х годах прошлого века Skylab создавали на базе блока S-IVB, или третьей ступени ракеты-носителя Saturn V. Учитывая близкие размеры S-IVB (длина 17,8 м, диаметр 6,6 м) и грузового отсека Starship (длина 17 м, внутренний диаметр 8 м), было логичным применение идей компоновки внутреннего пространства Crew Starship в стиле Skylab. Поэтому в интернете часто встречаются эскизы «многопалубной» структуры с большими пилотскими кабинами (порой даже с панорамными окнами).
На этом все параллели между орбитальной станцией Skylab и кораблем Crew Starship заканчиваются. Ведь речь идет о проекте многоразового космического корабля, который должен многократно работать по циклу «запуск – орбитальный полет – посадка на Землю», то есть к его конструкции будут совершенно иные требования. Главная особенность будущего Crew Starship – предполагается, что в одном корпусе сосредоточены отсек экипажа, маршевые двигатели (минимум шесть Raptor) и топливные баки, в которые будут заливать до 1200 т криогенного топлива. Все прежние космические корабли всегда строились по модульному принципу – отдельно разгонный блок/ступень, отдельно сервисный модуль, отдельно капсула с экипажем… Даже Space Shuttle с его тремя встроенными маршевыми двигателями SSME (они же RS-25) все равно получил отдельный топливный бак.
Одной из проблем является применение криогенного топлива – у Starship это жидкий метан (точка кипения -161,58°C) и жидкий кислород (точка кипения -182,96°C). При всех плюсах у криогенного топлива есть серьезный недостаток – его трудно хранить в космосе длительное время, что существенно ограничивает его повсеместное применение. Как правило, криогенные ступени (например, разгонный блок Centaur с топливной парой водород-кислород) отрабатывают свои задачи через несколько часов после запуска ракеты-носителя. Такой вариант хорошо подходит для обычного грузового Starship, когда корабль быстро выходит на орбиту, за несколько часов «сбрасывает» груз и возвращается на Землю. Но очевидно, что такой короткий цикл не подходит для пилотируемых миссий, которые будут ориентированы минимум на несколько дней или недель пребывания на орбите.
Для начала попробуем определить гипотетические основные параметры будущего Crew Starship – точнее, его обитаемого отсека для экипажа. Встречались немало оптимистичных концепций, с объемом герметичного пространства 800-900 куб.м, то есть почти как у Международной космической станции. Но остановимся пока на умеренной версии, что этот отсек представляет собой цилиндр диаметром 8 м и высотой 7 м – это дает объем 350 куб.м, как у Skylab. Исходя из заявленной (точнее, скорректированной недавно) грузоподъемности Starship в 100-150 т, можно взять за основу, что обитаемый отсек со всей его инфраструктурой и оборудованием будет весить до сотни тонн – в дополнение к 1300 т паспортной полной массы второй ступени Starship (100 т корпус с двигателями и 1200 т топлива).
Необходима соответствующая система жизнеобеспечения, которая способна обеспечить оптимальные условия в отсеке такого объема. И это не считая того факта, что экипаж Crew Starship может насчитывать 10-15 человек… Для сравнения – капсула космического корабля SpaceX Crew Dragon (штатный экипаж 4 человека) имеет герметизированный объем 9,3 куб.м. Маловероятно, что тут сработает вариант простого «заимствования» и масштабирования имеющейся системы жизнеобеспечения в 30-40-50 раз. Придется все разрабатывать с нуля – с учетом опыта применения подобных систем на Международной космической станции (более 900 куб.м), Skylab (350 куб.м) или Space Shuttle (65,8 куб.м). Наверняка будут использованы все текущие наработки из проекта лунного модуля Human Landing System, с поправкой на иной количественный состав экипажа и другие условия работы корабля.
Очередной вопрос – какой будет система для ориентации и маневров корабля на орбите (Reaction Control System, или RCS)? Сейчас пока известно, что на прототипах Starship применяют упрощенные метаново-кислородные двигатели вытеснительной схемы (без турбонасосов, топливо поступает за счет давления в баках), которые подключены к общей топливной системе. Сохранят ли их на Crew Starship (учитывая проблемы с хранением криогенного топлива на орбите), или все же обратятся к более традиционному решению – создадут отдельный контур с двигателями на гиперголическом топливе (гидразин и его производные)? Например, Space Shuttle был оборудован 46 разными двигателями для ориентации и маневрирования, при этом брал на борт более 13 т соответствующего топлива (т.е. гидразин, монометилгидразин, тетраоксид азота). Если подобную схему применить на Crew Starship, сколько двигателей и топлива понадобятся?
Список сложных технических задач постоянно растет – длительное хранение криогенного топлива на орбите, система жизнеобеспечения (фактически, класса для орбитальных станций), система ориентации и маневрирования космического корабля… Добавим к этому соответствующую энергетическую систему, на которую наверняка ляжет большая дополнительная нагрузка в виде будущей системы хранения криогенного топлива со всем ее оборудованием. При этом по-настоящему редко возникает едва ли не самый важный вопрос – какой должна быть система аварийного спасения (САС) для корабля с такими параметрами? Особенно если предположить, что на Crew Starship все будет сосредоточено в одном корпусе – маршевые двигатели, топливные баки, обитаемый отсек со всей соответствующей инфраструктурой. И в очередной раз напомним, что экипаж может насчитывать 10-15 человек.
Почти все прежние и нынешние космические корабли создавались таким образом, что в случае какого-то чрезвычайного происшествия на начальной стадии полета пилот/экипаж или капсула с экипажем могут быстро покинуть аварийную ракету. На «Востоке» и Gemini были предусмотрены катапультные кресла. Для Mercury, Apollo, «Союз», Shénzhōu, Orion, Gaganyaan была разработана САС в виде носовой «мачты» с твердотопливными двигателями, которая «отрывает» капсулу с астронавтами от ракеты-носителя и уводит ее в сторону, после чего осуществляется спуск на парашюте. SpaceX Dragon 2 оборудован восемью гидразиновыми двигателями SuperDraco, встроенными в капсулу. Похожая схема САС на Boeing CST-100 Starliner, только четыре гидразиновых RS-88 встроены в сервисный модуль.
Едва ли не единственным космическим кораблем, не имевшим полноценной системы аварийного спасения, был Space Shuttle (можно еще вспомнить советский «Восход», из которого убрали катапультное кресло, чтобы получить многоместный корабль). Не было возможности оборудовать Space Shuttle ни катапультными креслами (невозможно разместить 6-8 таких кресел в герметичной кабине, в окружении критически важного оборудования), ни катапультируемой капсулой (неконтролируемое усложнение конструкции корабля и увеличение веса)… Какие-либо меры спасения в случае чрезвычайной ситуации можно было осуществить только в том случае, если экипаж сохранял контроль над кораблем – возвращение к месту запуска и посадка во Флориде, посадка на резервных посадочных полосах в Европе/Африке или, в худшем случае, посадка корабля на воду где-то в океане. Но если происходит разрушение основных элементов конструкции Space Shuttle, экипаж обречен – что подтвердили катастрофы Challenger (28 января 1986 года) и Columbia (1 февраля 2003 года).
Какой должна быть конструкция будущего Crew Starship, чтобы с точки зрения безопасности экипажа он не превратился в аналог Space Shuttle? Катапультные кресла отпадают – как по причине узкого диапазона применения (ограничения по высоте и скорости полета), так и по сложности их установки в корабль (особенно в случае экипажа из 10-15 человек). Можно немного пофантазировать и представить, что весь обитаемый отсек Crew Starship представляет собой огромную капсулу (диаметр 8 м, высота 7 м, масса от 50 до 100 т) – в случае аварийной ситуации можно сбросить внешний корпус корабля, «отстрелить» капсулу и отвести ее в сторону (как во время запуска, так и при вхождении в атмосферу).
Сразу возникает целая лавина технических вопросов. Например, явное усложнение конструкции Crew Starship – вроде «двойного корпуса» (внешний с теплозащитной оболочкой, внутренний для отсека), системы экстренного разделения внешнего корпуса-обтекателя, чтобы освободить отсек с экипажем и т.д., и т.п. Отдельный вопрос – какими должны быть двигатели САС для капсулы такого размера и веса? Можно изучить некоторые параметры современных систем аварийного спасения. Для «Союза» (масса до 7,5 т) на мачте САС используется блок с твердотопливными двигателями тягой примерно 75 тс. На SpaceX Dragon 2 (полная стартовая масса 12,5-14 т) восемь двигателей SuperDraco обеспечивают тягу 55-56 тс, а на Boeing CST-100 Starliner (масса 13 т) четыре двигателя RS-88 должны обеспечить тягу 72 тс.
То есть соотношение тяги двигателей САС и массы корабля – минимум 4 к 1 (на самом деле еще выше, где-то 7-8 к 1). Для понимания масштаба задачи – система аварийного спасения для лунного корабля Orion представляет собой настоящую «башню» высотой 15 м и массой 7,7 т (из них более 2,5 т приходится на топливо). При этом основные твердотопливные двигатели САС должны давать тягу до 175-180 тс, время их работы составляет лишь 2 секунды, за это время успевают сгореть 2 т топлива. И это для космического корабля полной массой 24,5-26 т (капсула плюс сервисный модуль). Можно создать похожую носовую «башню» для Starship – только какими будут ее размеры и масса (из расчета, что двигатели САС должны обеспечивать тягу минимум где-то в районе 350-400 тс)? Необходимо еще учитывать тот факт, что в SpaceX ранее никогда не работали с большими проектами твердотопливных ракетных двигателей.
Другой вариант – встроить такие твердотопливные бустеры системы аварийного спасения внутри корпуса, как раз под отсеком для экипажа. Но их «соседство» рядом с баками на 1200 т топлива выглядит довольно рискованным – нетрудно представить, что может произойти в случае случайной активации хотя бы одного двигателя САС… Кроме того, подобный вариант компоновки внутреннего пространства Crew Starship может привести к заметному сокращению герметичного объема корабля. И вдогонку еще один вопрос – какой должна быть парашютная система, чтобы без проблем «приземлить» такую капсулу массой от 50 до 100 т?
Очередной возможный вариант системы аварийного спасения – разместить в носовом конусе Crew Starship относительно небольшой космический корабль уровня Crew Dragon, со всеми проверенными узлами (двигатели SuperDraco, парашютная система и т.д.). При запуске и возвращении на Землю экипаж находится в этой «командно-спасательной шлюпке», после выведения корабля на орбиту перебирается в основной отсек. Правда, такой вариант тоже приводит к значительному усложнению конструкции Crew Starship – например, нужна полноценная система перехода между главным отсеком корабля и «шлюпкой», которая бы соответствовала целому перечню требований (уровень безопасности, возможность быстрого перемещения астронавтов по такому «переходу» и т.д.). Возможно, понадобится также увеличенная версия Crew Dragon, из расчета на 10-15 человек – ведь нынешний Crew Dragon рассчитан на штатную численность экипажа 4 человека, с возможным увеличением до 6-7 человек.
Очевидно, большинство попыток как-то смоделировать структуру будущего Crew Starship сразу вызывают целый каскад разнообразных технических вопросов. Большие размеры корабля и обилие мощных двигателей все-таки не стали готовым «простым решением» – они хоть и могут решить часть технических вопросов, но сразу порождают новые хлопоты… Интересно, каким окажется реальный вариант Crew Starship от SpaceX? Между прочим, пока рассматривались только начальные варианты космического корабля для полетов у Земли и Луны. В случае с гипотетическим пилотируемым «марсианским» Starship уровень сложности технических задач будет возрастать в геометрической прогрессии…
Телеграм-канал автора статьи, посвященный разным космическим темам и событиям – Space&World (https://t.me/UAspaceandworld)