SpaceX не боится экспериментировать и бросать вызов фундаментальной классике ракетостроения. Трансформация понимания, какой должна быть современная ракета: от проверенной временем серии Falcon с ее «скромными» 500 кубометрами баков — до колоссальных 5000 кубометров у системы Starship. Зачем переходить на жидкий метан? Как получилось, что одна и та же компания способна запустить 16 тонн на орбиту… или сразу 150? В этой статье мы разберем, чем отличается «керосиновая классика» Falcon от «метанового гиганта» Starship в цифрах, баках и возможностях, и почему это дверь к Луне и Марсу.
Топливные комбинации
В ракетах Falcon 9 применяют связку керосина (RP-1)* и жидкого кислорода (LOX)**. Керосин хранится при температурах ниже стандартных, чтобы повысить его плотность и вместить больше топлива в те же габариты. Жидкий кислород также дополнительно охлаждают, чтобы увеличить его плотность и улучшить эффективность сгорания.
*RP-1 — это специально очищенный и усовершенствованный вид керосина, который используют в качестве топлива в ракетных двигателях. Он чище обычного авиационного топлива и имеет более стабильные характеристики горения, что делает его эффективным для космических запусков.
** (LOX) — это кислород, охлажденный до сверхнизкой температуры, чтобы находиться в жидком состоянии. Его используют в качестве окислителя в ракетных двигателях, поскольку он обеспечивает необходимый кислород для сгорания топлива в космосе, где нет воздуха.
Starship (вместе с Super Heavy) переходит на комбинацию жидкий метан (CH₄) и жидкий кислород (LOX). По сравнению с керосином, метан меньше «закопчивает» двигатели, облегчая техническое обслуживание и ремонт. Кроме того, метан теоретически можно синтезировать на Марсе с помощью реакции Сабатье*, что открывает перспективы для дальних космических экспедиций.
*Реакция Сабатье — это химический процесс, во время которого из углекислого газа (CO₂) и водорода (H₂) образуется метан (CH₄) и вода (H₂O).
Переход на метановую топливную пару позволяет инженерам SpaceX эффективнее обеспечивать многократное использование двигателей, а также закладывает основу для будущих межпланетных миссий, где топливо смогут производить на месте. Такой подход позволяет мечтать о более длительных и масштабных полетах, делая космическую программу еще на шаг ближе к колонизации других планет.
Наддув баков: гелий против автогенного наддува
В ракетостроении поддержание стабильного давления в топливных баках имеет критическое значение. Если баки «сомкнутся» или их стенки деформируются, это может привести к потере управляемости, а иногда и к полной аварии. Компания SpaceX использует две разные системы наддува в зависимости от типа ракеты: гелиевую и автогенную.
Для наддува баков с жидким кислородом в ракетах Falcon применяется гелий, хранящийся в специальных высоконапорных баллонах типа COPV* (Composite Overwrapped Pressure Vessels). Во время расхода топлива гелий подается в бак, чтобы сохранять необходимое давление и предотвратить деформацию оболочки. Гелий нужен также при быстром запуске двигателей или в критические моменты полета (например, при выключении и повторном включении двигателей).
*COPV — внутри баков устанавливаются маленькие, но чрезвычайно прочные композитные резервуары, выдерживающие давление до 350 бар. Именно они подают гелий для наддува жидкого кислорода. Такое давление могут развить гидравлические прессовальные установки с помощью специальных цилиндров. Подробно со структурой и ресурсом таких систем можно ознакомиться в отчете NASA.
Однако с этими баллонами связан инцидент во время испытаний Falcon 9 миссии Amos-6 (2016 год), когда из-за сложных химических взаимодействий между гелием, углеродным волокном и жидким кислородом произошел взрыв. После этого SpaceX усовершенствовала конструкцию COPV и улучшила производственные процессы, чтобы уменьшить риски и повысить надежность системы.
В новой системе Starship (включая ускоритель Super Heavy) используется автогенный наддув: часть метана и кислорода испаряют и возвращают в верхнюю часть баков. Такой газ поднимает давление и заменяет потребность в больших объемах гелия. Такая схема позволяет уменьшить массу ракеты (меньше дополнительных баллонов) и упростить конструкцию, ведь отпадает необходимость держать большие запасы гелия на борту. В то же время для вспомогательных операций (управление ориентацией, аварийные режимы, повторный запуск двигателей) все же нужны небольшие резервуары с газом (COPV или стальные баллоны), но они выполняют второстепенные функции и не являются основной системой наддува.
Зачем отказываться от гелия?
Простота и уменьшение массы: отсутствие больших баллонов под высоким давлением упрощает конструкцию и экономит вес.
Снижение рисков: использование гелия в композитных баллонах при сверхнизких температурах может вызвать нежелательные эффекты (урок, вынесенный после Amos-6).
Улучшенная многоразовость: меньшее количество «хрупких» и сложных узлов позволяет делать ракеты более надежными и легче готовить их к повторному запуску.
Такой подход от SpaceX иллюстрирует стремление к максимальной эффективности и безопасности. И, похоже, именно автогенный наддув станет ключевым элементом будущих ракет, предназначенных не только для доставки грузов на орбиту, но и для масштабных межпланетных миссий.
В приведенной ниже инфографике собраны ключевые характеристики двух ракет-носителей. Она наглядно демонстрирует различия в типах и количестве топлива, объемах баков, времени заправки, а также потенциальной грузоподъемности. Для лучшего понимания масштабов мы привели эквиваленты заправки (количество автомобилей и самолетов Boeing 737). Даже трудно представить, какое огромное количество топлива нужно только на один пуск — это тысячи машин и десятки самолетов. Поэтому давайте узнаем о возможностях каждой из ракет и сравним их эффективность и технический потенциал.
Заправка и конструкция баков
Первая ступень Falcon имеет два больших бака: один для горючего RP-1, другой — для жидкого кислорода (LOX). Вторая ступень построена по схожему принципу. Процесс заправки топлива и окислителя происходит быстро — обычно в течение последних получаса или часа перед стартом. Запас топлива в первой ступени рассчитан так, чтобы обеспечить не только основной полет «вверх», но и обратные маневры: reentry burn (тормозной импульс в атмосфере) и landing burn (финальный импульс для посадки).
Starship имеет два основных бака для метана (CH₄) и жидкого кислорода (LOX), а внутри расположены дополнительные «хедер-баки »*, которые используются во время посадки. Ускоритель Super Heavy (нижняя ступень) также содержит два больших бака (CH₄ и LOX), однако отдельные «хедеры» там обычно не предусмотрены (хотя возможны специальные резервуары для дополнительных маневров). При возвращении космического корабля Starship для посадки с «боковым переворотом» топливо в больших баках может перемещаться непредсказуемо, поэтому инженеры разработали компактные внутренние баки. Они гарантируют стабильную подачу топлива и окислителя в двигатели, независимо от динамических нагрузок и положения корабля.
*Header tanks — резервуары для посадки. В Starship существуют дополнительные «хедер-баки», встроенные внутри главных топливных баков. Они нужны для посадки: когда основные баки почти опустошены или находятся под неудобным углом, подача горючего может стать нестабильной. Компактные резервуары, расположенные ближе к двигателям, держат запас метана и кислорода специально для финального тормозного импульса во время приземления. Такие баки заправляют заранее, и в момент посадки двигатели получают топливо именно из них, гарантируя стабильную подачу даже при резком изменении ориентации корабля.
Итак, Falcon с «классической» компоновкой баков и быстрой заправкой открыл дорогу к многоразовости. Зато Starship доводит эту концепцию до новых высот, применяя не только другую топливную пару, но и дополнительные «хедер-баки» для максимально эффективной посадки.
Системы мгновенного старта и «ограниченное окно» для заправки
Ракеты Falcon 9 и Falcon Heavy от SpaceX применяют технологию быстрой заправки горючего и окислителя. Процесс происходит в последние минуты перед пуском (вместо нескольких часов). Основная причина — низкая температура жидкого кислорода (LOX) и керосина (RP-1), из-за чего возникает необходимость сократить время «нагрева» горючего в баках. В результате стартовое окно жестко лимитировано: надо уложиться в определенные минуты, пока сохраняются необходимая температура и плотность топлива.
Преимущества отдельного запаса топлива для посадки
В Falcon 9 обычно достаточно «осадить» топливо на дне бака с помощью газовых импульсных двигателей (RCS) и правильно рассчитать остаток.
В Starship, особенно во время «падения» горизонтально и последующего «маневра-поворота», топливо может разбрызгиваться, создавая риск «пустого забора» и потери тяги. Эту проблему решают дополнительные «хедер-резервуары».
Перекачка и перераспределение топлива
Для повторного старта в Starship предусмотрена «орбитальная дозаправка», чрезвычайно важно уметь перекачивать топливо между баками или даже между двумя космическими кораблями непосредственно на орбите. Компания SpaceX планирует реализовать систему орбитального заправщика «in-orbit refueling»: один Starship будет служить «заправщиком», а второй — «получателем». Они будут соединяться носовыми частями, и метан с кислородом будут перекачиваться по трубкам из «заправщика» в «получатель». Это нововведение открывает путь к межпланетным миссиям, поскольку позволяет дозаправлять Starship уже в космосе, без необходимости поднимать с Земли весь объем топлива за один раз.
Итак, переход от Falcon 9 к Starship — это качественный скачок в объемах и массе топлива, способах заправки и допустимой полезной нагрузке. Если Falcon 9 и Falcon Heavy уже доказали надежность и эффективность на рынке запусков, Starship призвана расширить эти возможности и открыть дорогу к пилотируемым миссиям за пределы околоземной орбиты. Ключевым моментом является орбитальная дозаправка, которая позволит использовать гигантский запас топлива Starship не только для старта с Земли, но и для отправки больших грузов к Луне, Марсу и дальше.
SpaceX все еще оптимизирует процессы подготовки, заправки и повторного использования Starship, но уже сейчас очевидно, что масштаб и задачи, которые может решить эта система, выходят далеко за пределы способностей текущей линейки Falcon.
