SpaceX не боїться експериментувати та кидати виклик фундаментальній класиці ракетобудування. Трансформація розуміння, якою має бути сучасна ракета: від перевіреної часом серії Falcon з її «скромними» 500 кубометрами баків — до колосальних 5000 кубометрів у системи Starship. Навіщо переходити на рідкий метан? Як вийшло, що та сама компанія здатна запустити 16 тонн на орбіту… чи відразу 150? У цій статті ми розберемо, чим відрізняється «гасова класика» Falcon від «метанового гіганта» Starship у цифрах, баках та можливостях, і чому це двері до Місяця та Марса.
Паливні комбінації
У ракетах Falcon 9 застосовують зв’язку гасу (RP-1)* та рідкого кисню (LOX)**. Гас зберігається за температур, нижчих від стандартних, аби підвищити його густину й умістити більше палива в ті самі габарити. Рідкий кисень також додатково охолоджують, щоб збільшити його густину й покращити ефективність згоряння.
*RP-1 — це спеціально очищений і вдосконалений вид гасу, який використовують як паливо в ракетних двигунах. Він чистіший за звичайне авіаційне пальне та має стабільніші характеристики горіння, що робить його ефективним для космічних запусків.
** (LOX) — це кисень, охолоджений до наднизької температури, щоб перебувати в рідкому стані. Його використовують як окисник у ракетних двигунах, оскільки він забезпечує необхідний кисень для згоряння палива в космосі, де немає повітря.
Starship (разом із Super Heavy) переходить на комбінацію рідкий метан (CH₄) та рідкий кисень (LOX). У порівнянні з гасом, метан менше «закопчує» двигуни, полегшуючи технічне обслуговування та ремонт. Крім того, метан теоретично можна синтезувати на Марсі за допомогою реакції Сабатьє*, що відкриває перспективи для далеких космічних експедицій.
*Реакція Сабатьє — це хімічний процес, під час якого з вуглекислого газу (CO₂) та водню (H₂) утворюється метан (CH₄) і вода (H₂O).
Перехід на метанову паливну пару дає змогу інженерам SpaceX ефективніше забезпечувати багаторазове використання двигунів, а також закладає основу для майбутніх міжпланетних місій, де паливо зможуть виробляти на місці. Такий підхід дозволяє мріяти про триваліші та масштабніші польоти, роблячи космічну програму ще на крок ближчою до колонізації інших планет.
Наддув баків: гелій проти автогенного наддуву
У ракетобудуванні підтримка стабільного тиску в паливних баках має критичне значення. Якщо баки «зімнуться» або їхні стінки деформуються, це може призвести до втрати керованості, а іноді й до повної аварії. Компанія SpaceX використовує дві різні системи наддуву залежно від типу ракети: гелієву та автогенну.
Для наддуву баків із рідким киснем у ракетах Falcon застосовується гелій, що зберігається у спеціальних високотискових балонах типу COPV* (Composite Overwrapped Pressure Vessels). Під час витрати палива гелій подається в бак, аби зберігати необхідний тиск і запобігти деформації оболонки. Гелій потрібен також під час швидкого запуску двигунів або у критичні моменти польоту (наприклад, при вимкненні й повторному вмиканні двигунів).
*COPV — усередині баків встановлюються маленькі, але надзвичайно міцні композитні резервуари, що витримують тиск до 350 бар. Саме вони подають гелій для наддуву рідкого кисню. Такий тиск можуть розвинути гідравлічні пресувальні установки за допомогою спеціальних циліндрів. Детально зі структурою та ресурсом таких систем можна ознайомитись у звіті NASA.
Проте із цими балонами пов’язаний інцидент під час випробувань Falcon 9 місії Amos-6 (2016 рік), коли через складні хімічні взаємодії між гелієм, вуглецевим волокном та рідким киснем стався вибух. Після цього SpaceX удосконалила конструкцію COPV та поліпшила виробничі процеси, щоб зменшити ризики й підвищити надійність системи.
У новій системі Starship (включно з прискорювачем Super Heavy) використовується автогенний наддув: частину метану та кисню випаровують і повертають у верхню частину баків. Такий газ підіймає тиск і замінює потребу у великих об’ємах гелію. Така схема дозволяє зменшити масу ракети (менше додаткових балонів) і спростити конструкцію, адже відпадає необхідність тримати великі запаси гелію на борту. Водночас для допоміжних операцій (управління орієнтацією, аварійні режими, повторний запуск двигунів) все ж потрібні невеликі резервуари з газом (COPV або сталеві балони), але вони виконують другорядні функції й не є основною системою наддуву.
Навіщо відмовлятися від гелію?
- Простота та зменшення маси: відсутність великих балонів під високим тиском спрощує конструкцію й економить вагу.
- Зниження ризиків: використання гелію в композитних балонах за наднизьких температур може спричинити небажані ефекти (урок, винесений після Amos-6).
- Покращена багаторазовість: менша кількість «крихких» і складних вузлів дає змогу робити ракети більш надійними та легше готувати їх до повторного запуску.
Такий підхід від SpaceX ілюструє прагнення до максимальної ефективності та безпеки. І, схоже, саме автогенний наддув стане ключовим елементом майбутніх ракет, призначених не лише для доставлення вантажів на орбіту, а й для масштабних міжпланетних місій.
У наведеній нижче інфографіці зібрані ключові характеристики двох ракет-носіїв. Вона наочно демонструє відмінності в типах і кількості палива, об’ємах баків, часі заправлення, а також потенційній вантажопідйомності. Для кращого розуміння масштабів ми навели еквіваленти заправлення (кількість автомобілів та літаків Boeing 737). Навіть важко уявити, яка величезна кількість палива потрібна на лише один пуск — це тисячі машин та десятки літаків. Тож дізнаймося про можливості кожної з ракет і порівняймо їхню ефективність та технічний потенціал.
Заправлення та конструкція баків
Перший ступінь Falcon має два великих баки: один для пального RP-1, інший — для рідкого кисню (LOX). Другий ступінь побудований за схожим принципом. Процес заправлення пального та окислювача відбувається швидко — зазвичай упродовж останньої пів години чи години перед стартом. Запас пального в першому ступені розрахований так, щоб забезпечити не лише основний політ «уверх», а й зворотні маневри: reentry burn (гальмівний імпульс в атмосфері) та landing burn (фінальний імпульс для посадки).
Starship має два основних баки для метану (CH₄) та рідкого кисню (LOX), а всередині розташовані додаткові «хедер-баки»*, які використовуються під час посадки. Прискорювач Super Heavy (нижній ступінь) також містить два великі баки (CH₄ та LOX), однак окремі «хедери» там зазвичай не передбачені (хоча можливі спеціальні резервуари для додаткових маневрів). Під час повернення космічного корабля Starship для посадки з «боковим переворотом» пальне у великих баках може переміщуватися непередбачувано, тому інженери розробили компактні внутрішні баки. Вони гарантують стабільну подачу пального й окислювача у двигуни, незалежно від динамічних навантажень та положення корабля.
*Header tanks — резервуари для посадки. У Starship існують додаткові «хедер-баки», вбудовані всередині головних паливних баків. Вони потрібні для посадки: коли основні баки майже спустошені або перебувають під незручним кутом, подача пального може стати нестабільною. Компактні резервуари, розташовані ближче до двигунів, тримають запас метану та кисню спеціально для фінального гальмівного імпульсу під час приземлення. Такі баки заправляють заздалегідь, і в момент посадки двигуни отримують паливо саме з них, гарантуючи стабільну подачу навіть за різкої зміни орієнтації корабля.
Отже, Falcon із «класичним» компонуванням баків і швидким заправленням відкрив дорогу до багаторазовості. Натомість Starship доводить цю концепцію до нових висот, застосовуючи не лише іншу паливну пару, а й додаткові «хедер-баки» для максимально ефективної посадки.
Системи миттєвого старту та «обмежене вікно» для заправлення
Ракети Falcon 9 і Falcon Heavy від SpaceX застосовують технологію швидкого заправлення пального та окисника. Процес відбувається в останні хвилини перед пуском (замість кількох годин). Основна причина — низька температура рідкого кисню (LOX) та гасу (RP-1), через що виникає потреба скоротити час «нагрівання» пального у баках. Унаслідок цього стартове вікно жорстко лімітоване: треба вкластися у певні хвилини, доки зберігаються необхідна температура й густина пального.
Переваги окремого запасу пального для посадки
У Falcon 9 зазвичай достатньо «осадити» паливо на дні бака за допомогою газових імпульсних двигунів (RCS) і правильно розрахувати залишок.
У Starship, особливо під час «падіння» горизонтально та подальшого «маневра-повороту», паливо може розбризкуватися, створюючи ризик «пустого забору» та втрати тяги. Цю проблему вирішують додаткові «хедер-резервуари».
Перекачування та перерозподіл пального
Для повторного старту у Starship передбачене «орбітальне дозаправлення», надзвичайно важливо вміти перекачувати паливо між баками або навіть між двома космічними кораблями безпосередньо на орбіті. Компанія SpaceX планує реалізувати систему орбітального заправника «in-orbit refueling»: один Starship слугуватиме «заправником», а другий — «отримувачем». Вони з’єднуватимуться носовими частинами, й метан із киснем перекачуватимуться по трубках із «заправника» в «отримувач». Це нововведення відкриває шлях до міжпланетних місій, оскільки дає змогу дозаправляти Starship уже в космосі, без необхідності підіймати із Землі весь обсяг пального за один раз.
Отже, перехід від Falcon 9 до Starship — це якісний стрибок в об’ємах та масі палива, способах заправлення та допустимому корисному навантаженні. Якщо Falcon 9 і Falcon Heavy вже довели надійність і ефективність на ринку запусків, Starship покликана розширити ці можливості й відкрити дорогу до пілотованих місій за межі навколоземної орбіти. Ключовим моментом є орбітальне дозаправлення, яке дозволить використати гігантський запас палива Starship не тільки для старту із Землі, а й для відправлення великих вантажів до Місяця, Марса і далі.
SpaceX все ще оптимізує процеси підготовки, заправлення та повторного використання Starship, але вже зараз очевидно, що масштаб та завдання, які може вирішити ця система, виходять далеко за межі здібностей поточної лінійки Falcon.
