Как разрабатывают Starship

15В закладки

Для тех, кому не нужен лонгрид, то под спойлером ответ. Ничего нового не придумаю, но всё же выскажусь.

Если одним предложением, то:

как программное обеспечение

Проблема разработки РН Starship/Super Heavy состоит в том, что нужно сделать не просто новую ракету, которая бы летала, а полностью многоразовую, дешевую в эксплуатации, и быструю в производстве и больших количествах (просто огромных количествах).

Часто и много слышу о том, что Starship разрабатывают не так, что там всё печально. Есть люди, которые говорят, что ракеты не летают при таком качестве сварочных работ. Проблема таких разговоров в том, что мы видим не то, к чему привыкли. К «печальной» культуре якобы производства прототипов вернусь ниже.

Илон Маск – программист, разработчик еще с самого детства, свой стартовый миллионный капитал он заработал на разработке софта – Zip2 и PayPal. Далее он полез в промышленное производство, где правила масштабирования – совсем другие, как при реализации софта. Маск не раз говорил о том, что сделать прототип – это проще простого, а масштабное производство – это сложность выше на несколько порядков. В ПО – создал рабочую программу, 1 экземпляр и печатаешь копии, покуда есть спрос. Ранее были диски и прочие носители – это немного усложняло, но сейчас – только ширина канала площадки, откуда идёт скачивание. Да, на релизе тех же игр – бывают сложности, разные Steam’ы могут тупить, а EGS падать… но, это разрешается в считанные часы, как только ослабили наплыв. В промышленном производстве это просто невозможно представить. От момента гомологации до начала серийного производства может пройти пару лет. Для таких товарищей, как Маск – это неприемлемо.

Для ускорения производства – нужны упрощения. В этом плане, Маск — не уникален. Задолго до него это всё делалось. Но, здесь важен вопрос – как упрощать, чтобы нарастить производство. Например, в 2013-м году компания Tesla реализовала 22,4 тыс. электромобилей Model S. В 14-м году Маск выразил желание достичь продаж на уровне 500 тыс. автомобилей в год. Мало кто верил, а еще больше смеялись над такими заявлениями. Опытные товарищи от отрасли говорили, что такого темпа роста производства автомобилей история не знает. И, вот, 2020-й закончился, Tesla отчиталась за год своей деятельности – 500 тыс. (без 353 шт.) проданных автомобилей за год. 22 кратный рост. Да, уникальное достижение компании.

Маск часто говорит – нет механизма/цепочки – нет проблем. Да, пустое место не может ничего. Но, он говорит, что его инженеры постоянно работают над упрощением всего чего только можно. В этом случае – меньше действий – меньше шанс на ошибку. На примере компании Tesla можно отслеживать такую деятельность, а вот в SpaceX – не очень, ибо ракеты, при всём желании – это единичные изделия. Однако если мы говорим о Starship’e, то у него цели (по крайней мере те, что он озвучивает) – создание тысячи ракет в год. Примерно столько человечество запускает за 10 лет. А он хочет в одиночку и за 1 год. Здесь нужно не просто разработать новую РН, лучшую по ТТХ, из всех, которые были в природе, но и увеличить темпы производства на 2 порядка, а то и больше. Честно сказать, мне сложно представить, что он с этими ракетами будет делать (даже если наладят их производство), не уверен, что будет бешеный спрос. Даже если получится что-то запускать на Марс. Посмотрим, не об этом речь, до такого нам еще далековато.

Есть такая поговорка с таким примерным содержанием: «Если человек – это молоток, то проблемы для него – гвозди». Маск видел, что можно делать с софтом, как быстро можно масштабировать, то чего бы ни применить такие приёмы и в промышленном производстве? Он говорил, что хочет сделать т.н. Дредноут по выпуску автомобилей – это фабрика, где с одной стороны попадает сырье, а с другой – выезжает автомобиль. При этом скорость производства должна быть на уровне разлива газировки по бутылкам. Да, это слишком амбициозно, но чего бы не попробовать сделать. Честно сказать, не раз ловил себя на мысли, что Маск наигрался в компьютерные игры, а именно – стратегии в реальном времени, где упрощена система производства новых юнитов – есть ресурсы – получай воина или танк через 5-20 секунд (в зависимости от баланса игры).

Те, кто следит за развитием компании Tesla, могли встречать информацию от Сэнди Монро о том, что первые Model 3 – это просто уродец, в плане конструкции, куча лишних элементов, сваренных между собой, какие-то странные решения и излишки. Со временем, в Тесле поработали над улучшениями и упростили конструкцию, уменьшив количество деталей. С автомобилем Model Y они ушли еще дальше, штампуют огромные детали, в четверть кузова. Так, например, вчера во время общения с акционерами Маск сообщил, что для штамповки элементов кузова нового автомобиля Cybertruck будут использовать пресс 8 000т. Напомню, что его хотят делать из стали, которую должны также использовать на Starship’е. Возможно здесь не будет ничего общего… но мало ли.

Пришлось немного отойти в сторону, чтобы примерно наметить дорогу, по которой могут пойти в SpaceX, при создании партий ракет и космических кораблей. Но, до этого еще рано, ближе – процесс разработки. Опять речь о ПО. При разработке есть система контроля версии. Ну, например Git. Еще нужно понимать, что только переход на сталь позволил вести такие разработки, ибо композиты стоят очень много, далее с ними дорого и долго работать. Маск называл примерные цены – 5 тыс./т за сталь и 130 тыс./т за композиты. И это только сырье. Переход на сталь – это просто гениальная находка для таких разработок. Грубо говоря, разработка «железа», по принципу «софта» открывает уникальные возможности.

В начале создания прототипов из стали, Маск сделал 2 команды, типа, соревнование, кто лучше нашёл решение, значит, вторая команда тоже будет их использовать. Это, так сказать, параллельная разработка 2-х веток. Да, на начальном этапе был паритет, поэтому кто бы вырвался вперёд, стал бы главной ветка разработки, а со второй бы взяли, возможно, какие-то элементы. Но, не получилось. Первый же тест и прототип Mk1 – не выдержал крио испытаний. После этого 2-ю команду расформировали и закрыли разработки. Mk2 разобрали позже, так и не проведя ни одного теста. Mk3 толком и не начали делать, а Mk4 переименовали в SN1. Ветка Mk усохла и была закрыта. Параллельная разработка тоже была прикрыта. По крайней мере, в разных местах. То, что мы сейчас наблюдаем, похоже на то, что идёт параллельная разработка, была возобновлена в Бока Чика. Относительно недавно, SpaceX отказались от прототипов с маркировкой SN 13-14. Перешли к активному созданию протипа SN15 и далее, вплоть до SN18. Про отмену 2-х последовательных прототипов сообщу далее. Для наглядности добавлю визуала.

Источник — 19.12.2020
Источник — 23.01.2021

Итак, что нам нужно в конечном итоге – многоразовые РН и КК, в больших количествах, дешевые в эксплуатации с возможностью быстрого запуска. То есть, примерно, это по мощности должна быть система мощнее Saturn-5, быть дешевле в эксплуатации и по возможностям лучше, чем Space Shuttle, запускаться, чаще, чем сейчас это делает Falcon 9. А, ну да, еще и стоимость разработки должна быть на уровне РН Falcon 9 + КК Dragon 1 и всё это должно быть реализовано в течение 5-10 лет. Если посмотреть на историю разработки и создания ракет и космических кораблей, то поставленная задача сложнее… честно сказать, теряюсь даже примерной оценке… ну, допустим – 3-5 порядка. Идём от простого к сложному. На ранних этапах были попытки быстро и дешево делать прототипы. Сейчас это кажется наивной авантюрой, но попытки были. Зачем это делалось? Ну, банально, чтобы удешевить разработки. Мы же запомнили, что для Маска, создание Starship – это написание приложения. Для эффективной разработки внедряются разные тесты на различных уровнях. При этом есть разработчики, а есть команда тестировщиков. Но, сам разработчик тоже должен проводить тесты. Не может такого быть, чтобы он написал какой-то модуль или функцию и забил на этом. Нет, модуль должен работать и не просто работать, а так, как нужно. Банально, при сложении 2+2 должно получатся 4, а не 3. Для этого существуют модульные тесты (они же unit-тесты). Они как раз должны проверять, как выполняется банальное действие – сложить 2 и 2. Но, нужно знать меру, на каждый чих делать модульный тест, то получится не разработка приложения, а написания тестов ради тестов. Что в итоге, написали часть приложения и проверяем, как работает часть программы, путём проверки выполнения модульных тестов. Если всё отлично, то они все зелёные и выполнены на 100% — это очень круто.

Теперь возвращаемся к прототипам. Не нужно считать, что в компании нет компьютерного моделирования прототипов. Это, честно говоря, смешно. Проблема в том, что чем сложнее система, тем сложнее создать модель. Что такое компьютерная модель? – грубо говоря – это попытка создать реальной вещи в виртуальном мире с максимальными его параметрами. Но, симулировать реальный мир – это глупо нам же нужна упрощенная модель, поэтому что-то упрощается, ограничивается. Главное здесь не переборщить, ибо виртуальный мир – это одно, а «железо» должно работать в реальном мире. Ещё один важный вопрос – зачем делать моделирование? – потому что в определённый момент развития человечества, компьютерные вычисления и создания софта пришло к точке, что это дешевле и быстрее, чем в железе. Дешевле, но не дёшево. Натуральные испытания хороши тем, что они отображают фактическую действительность, а не смоделированную ситуацию в выдуманном мире (при этом этот мир может иметь ошибки при построении физических законов). В самом начале была речь о стоимости материалов и работы по их обработке. Так вот, текущее ракетостроение пришло к тому, что композиты – очень хорошие материалы, они лёгкие и прочные, но дорогие. Крушить и ломать прототипы – это не выход. Дорого, долго. Можно вспомнить, как SpaceX делали свой бак из углепластика, как они гордились им, что это один из крупнейших. Что в итоге – делали долго, тщательно, пылинки сдували, а в итоге выдержал в районе 3,2 бар. В то же время, через полгода неудачных попыток, SpaceX достигли результатов в 8 и более бар со стальными баками. И это не предел. Однако, они шли от малого, какие нужно приложить усилия, чтобы получить приемлемое качество при минимальных усилиях. Возможно, это не было главной целью. Поскольку я не знаю, что они делают и для чего, поэтому каждый тест, который мы видим в сети – это лишь вершина айсберга. Даже самый успешный тест со стороны может оказаться полным провалом теста. Можно лишь только надеяться на честность Маска в своих ответах в твиттере. Далее, раз речь идёт о тестировании, то, например, мы тестируем отдельные части полноразмерного прототипа. Нельзя исключать варианты, что на данном этапе инженеры угадали с нужной «химией» и создали нужный элемент близкий к идеалу (согласно их представлениям о функции этой детали). Далее может наступить следующий этап – интеграционные тесты. Что это такое – лучше 1 раз увидеть, чем 100 раз услышать.

Для дальнейшего понимания картинки в целом, без следующего видео не обойтись. Видео хоть и старое, но это хорошая характеристика культуры работы в компании СпейсЭкс

Итак, что мы имеем на данный момент. Создаём компьютерную модель прототипа, в процессе разработки, у нас возникают вопросы – как поступить далее. Тратить время на компьютерную симуляцию или же проще сейчас сделать прототип и проверить результаты наших вычислений? Когда говорят о плохой культуре производства прототипов Starship, то я немного не понимаю, к чему такие претензии. Они хотят сделать из говна и палок модель в натуральную величину, обвешать её датчиками, и провести разные тесты, в процессе получив кучу данных с телеметрии. Есть еще хороший пример, посадка 1-й ступени Falcon 9. Одно дело рассчитать нагрузки, а также возможные воздействия, при этом потом вывести прогнозируемые параметры при возврате и проверить их … в теории, а другое дело – проверить фактические данные с расчётными. Маск отмечал, что возврат ступени позволяет получить огромное количество данных о состоянии конструкции и работы двигателей. Одно дело запустить 1 раз ракету и думать о том, что есть избыточная надёжность, что не подведёт, а совсем другое – знать, какое состояние, и чем больше возвратов и проверок, тем точнее расчёты и данные. Тот, кто не возвращает ступени – теряет очень многое при желании разработать и улучшить изделие. Это дополнительные плюсы, которые есть у SpaceX, которых почти ни у кого нет. Да, были Space Shulltle’ы, но программу забросили, а наработки мало где используются. Многоразовые двигатели от них должны быть одноразовыми на SLS. 30 лет эксплуатации – никому не нужно. Грустная история. Но сейчас речь о другом. SpaceX делают прототипы с минимальными усилиями, чтобы проверить расчёты. Там где они не уверены, Маск может принимать решение – делаем так, если получается – идут дальше. Провели модульные и интеграционные тесты – всё отлично, идём дальше. Зачем сейчас тратить больше времени и усилий для избыточных действий? Получили минимальный уровень надёжности и «культуры» производства – двигаемся далее.

Однако не стоит думать, что раз получили хорошие результаты сейчас, значит, забыли, что будет дальше. Нет. На одном этапе у них одни задачи, они их должны выполнить. После получения результатов – начинают делать новые прототипы для более сложных задач, но уже с учётом полученного опыта. Даже если на этапе того же SN4 было достаточно одного уровня качества сварки, это не значит, что это не будет улучшаться. Инженеры еще могут проверять себя, насколько они хорошо понимают процесс создания «бочек». Они понимают, что надёжность и качество сварки – низкого уровня. Они могут просчитать, когда и при каких случаях, и в каком месте будет «рваться» бочка. Если это сходится, значит они понимают, что происходит — можно двигаться на уровень выше, привозить роботов для сварки, делать прототипы из более тонкой стали. Например, возьмём прототипы SN 4-6. Это всё одной партии. С 4-м произошла печальная история, которая не связана с самим процессом тестов. После очередного огневого испытания подвела инфраструктура, а не сам прототип. То есть, он должен был совершить прыжок на 150м, но не сложилось. С учётом того, что инженера не знают то, что они знают… делают много прототипов одной ветки разработки при минимальном различии. Можете сравнить прыжок 5-го и 6-го прототипа. 5 прыгнул немного резко и не так плавно, как это сделал 6-й. Также стоит помнить, что Маск обещал кучу тестов и прыжков этих прототипов. Однако их не было. Что произошло? Я могу лишь предполагать, что все тесты, которые должны были сделать – прошли успешно. Компьютерная модель была близка к реальной картинке. Какой смысл тратить ресурсы на дополнительные тесты? Сложно сказать, что у них там происходит, но раз достигнута нижняя планка результатов – идём далее. Задача минимум – орбитальный полёт и посадка. Когда отработано и уже рабочий есть экземпляр, который может запускать ПН – значит это хороший результат. А доработки будут в процессе эксплуатации.

Достигнув определённой надёжности тестов, в дальнейших прыжках на 150м и немного выше – нет смысла. По крайней мере, так может быть. Ветку фиксируем, отправляем в продакшн. При этом, шло создание других прототипов SN8 и далее. И чем дальше идёт интеграция прототипа и его элементов, тем больше шанс на ошибку, потому быстро создаём еще больше прототипов для следующего этапа сложных тестов. Да, создание прототипов значительно ускорилось, причём настолько, что тесты не успевают проводить. То есть, в процессе создания 1-го лётного образца получаем знания и навыки для быстрого создания крупных серийных партий. Нужно же уменьшать стоимость создания системы, а также увеличивать скорость. Если SpaceX могут делать элементы прототипов в палатках, при этом эти же элементы будучи интегрированы в РН могут летать в космос и назад, значит, какой смысл платить больше? Быстро, дешево, надёжно – это же глобальная цель!

Возвращаясь к текущему состоянию дел. Есть серия прототипов серии от SN8 до SN11 (SN 12 – не понятно, что за прототип, тоже должны были быть какие-то значительные улучшения, но куда подевались 13-14?). Глобально, и если смотреть со стороны, это очередная ветка, прототипы одного типа и для одной цели – 12 км полёт и удачная посадка на землю. Да, их значительно больше, но и сложность возросла. Можно вспомнить реакцию Маска на тест SN 8. Они много чего тестировали и сам подъем – уже была огромная удача. Да, неудачная посадка. Но, через пару дней уже готовили следующий прототип к тестам. Если бы тесты показали плохие результаты, то они бы дольше изучали данные. Но это я могу только догадываться, но такова моя позиция. Да, по тем или иным причинам SN9 еще не полетел. То движки, то еще что-то. Теперь, вот, FAA долго думает над разрешением. Маск уже давит на них, что с такими темпами нам на Марс не полететь. Кроме сварки колец – там воз и малая телега проблем, которые нужно решить.

Так вот, с месяц назад они отказались от прототипов SN 13-14. Скорее всего, они должны были быть для тестов 12км полёта. Раз 8-й отработал нормально (в рамках тестов), то этот этап разработки можно фиксировать и не развивать, ибо ранее были найдены какие-то проблемы, которые уже были учтены при разработке SN 15. Маск отмечал, что там какие-то значительные доработки. Также стоит отметить, что на разных этапах создания уже прототипы вплоть до SN 18. Значит, что это очередная ветка для следующего этапа тестов, каких – не знаю. Но, нужно еще отработать посадку… для этого есть 2-3 прототипа в запасе. Да, если не получится, то придётся выполнять программу SN8 на SN15. И не факт, что даже SN20 повторит результаты SN8. Но, что поделать. Может они на этапе SN1 сделали фатальную фундаментальную ошибку. Всё может быть, не исключаю.

Также, стоит не забывать, что кроме железа есть ПО, а софт – это та часть, о которой мы не имеем ни малейшего представления. То, что происходит в Бока Чика – это просто уникальный случай, когда мы можем смотреть в прямом эфире создание новейшей ракеты орбитального класса. Но, если кто-то захочет повторить, то картинки будет мало, организация процесса и написания софта – это та скрытая часть, без которой нет смысла в этих натуральных испытаниях. Но, это могут быть лишь догадки. То есть, когда говорят, что проблемы с двигателем Раптор – это лишь догадка, там может быть проблема в программном обеспечении, в наземной инфраструктуре. Может быть, сам двигатель в отличном состоянии, но при транспортировке или интеграции с РН – происходят недопустимые оплошности со стороны сотрудников. Есть куча причин, почему что-то может не работать и лишь малый шанс на то, что все отработали отлично и заработает. Да, всё может быть так, что все сотрудники делают ответственно свою работу, а механизм чего-то не работает. Да, бывает, может быть, проблема в самой концепции или же плохих решениях руководителей. Словом – есть куча причин, почему что-то не выходит, говорить уверенно и конкретно о чём-то – крайне опрометчиво, ибо мы не знаем, что там происходит на самом деле.

В дополнение еще хочу добавить, что публичные тесты и полёты прототипов Starship – это лишь ширма, то есть они это делают в своих целях – подтверждают свою компьютерную модель при натуральных испытаниях разных систем. Да, мы как пользователи, можем получать эстетическое удовольствие при просмотре полётов. Однако не факт, что цель запуска —  именно в «удачном» для нас, зрителей, полёте и посадке. Как стоит относиться к таким тестам? – да никак. Получать удовольствие от полёта и картинки, не более. Пока нет у нас перед глазами плана полёта или же списка тестовых испытаний – нет особого смысла спорить об успешности. Да, Маск час от часу говорит о результатах. Но нужно внимательно читать, что он пишет. Да, большая есть проблема в понимании того, что именно он написал и с какой целью. Он может допускать и полагать, что что-то было хорошо. Но по факту там всё может быть плохо… ну на тот момент он не знал, а позже не уточнил. Результат – вывод ПН на заданную орбиту – вот достижения результата… а в промежутке – это лишь догадки, не более.

Еще хочу уточнить, что сравнивают процесс разработки Starship и SLS. Есть много разговоров о том, что SN8 – это провал, а 67 секунд статических огневых испытаний – это хороший тест (из 8 минут, на всякий случай). Здесь нужно остановится и понять о чём речь. В настоящее время Starship никуда не полетит даже с SN9, то есть никакой орбиты не должно быть, цель теста в другом — проверка очередной ветки разработки. При этом SLS и её тест – это уже готовый экземпляр ускорителя, который должен лететь в конце этого года. Да, именно эта ступень, эти движки. Это был важный этап проверки перед полётом. Минимум нужно было отработать 250 секунд. Сегодня начали появляться сообщения, что хотят повторить тест через 3-4 недели. SLS – это старая школа, долго планируют и моделируют. Потом долго и тщательно делают лётный экземпляр. Проводят интеграционные тесты (и без ошибок или разрушения) и запускают сразу в космос. Это главный тест всей ракеты. Расчёты и долгая подготовка не привела к нужным результатам, тогда в этом случае – это не просто выкинул кусок стали и перешли к новому прототипу. Нет, на это ушло десятки миллиардов, эта ракета должна лететь в этом году. Это важное отличие… от «кустарной»  сборки прототипов Starship’ов на данном этапе. Да, Starship тоже должны ожидать подобные тесты, но это не сейчас, а позже.

Хотелось бы, конечно, чтобы текста было меньше, но так получается. Из выше изложенного нужно понимать, что те усилия, что прилагаются компанией SpaceX – могут быть напрасной тратой времени. Разработка накроется, Starship будут вспоминать, глядя на фото и видео разработки, как какую-то хронику из прошлого, а возможно в музеях будет пару прототипов стоять. Не в первый и не в последний раз такое происходит. Сейчас так никто не делает ракеты. Но, не нужно забывать, что у них другой подход и с мерилом классической схемы создания ракет не стоит даже подходить и пытаться измерить, что у них там. Нужно выйти далеко за пределы понимания того, что есть и что может быть.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

79
Войдите, чтобы видеть ещё 119 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Дейв Боумэн
Вечность назад

Отличная статья! Аргументированная точка зрения. С чем-то можно не соглашаться в деталях, но общий подход очень логичен.

Пол Атрейдес
Вечность назад

Хорошая статья, четко показывающая, что деньги, хоть и важный, но далеко не главный компонент столь быстрого роста компании. Невероятный прогресс SpaceX происходит в основном потому, что Маск пытается реализовать свою "безумную" идею колонизации Марса, а не оседлать финансовые потоки в отрасли. Потому и нарушает все традиции, сложившиеся в ракетостроении до него.

Грустный Илон
Вечность назад

Веселуха по полной программе. Источник картинки. https://i.imgur.com/5FR38Gy.jpg

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
If you were unable to log in, try this link.