Шедевр реактивного искусства
Третье поколение космических двигателей SpaceX Raptor: революционная дерзость с прицелом на Марс.
Вернер фон Браун был автором не только ракетной техники, но и научно-фантастических произведений. В книге «Марсианский проект» он описывал землян, колонизирующих Красную планету под руководством президента – Илона. То ли ошарашенный этим совпадением, то ли по собственной склонности, но Илон Маск мечтал о Марсе с детства и, когда по-настоящему разбогател, основал компанию SpaceX, которая совершила революцию во всей космической отрасли. Благодаря инновационным многоразовым ракетам Falcon 9 она стала доминировать на рынке выведения грузов на орбиту и смогла развернуть собственную группировку спутниковой связи Starlink. Однако Маска не оставляла мысль о Марсе, и как только SpaceX стала уверенно подниматься на вершину, ее владелец представил свой главный проект.
В 2016 году, выступая на Международном конгрессе астронавтики, бизнесмен впервые показал эскизы и снимки деталей двухступенчатой ракеты Starship, которая в будущем доставит экипаж на Марс, а затем вернет обратно. Обещаниям Илона Маска верилось с трудом – особенно после того, как он озвучил совершенно наполеоновские планы: двигатель чрезвычайно сложной схемы, до сих пор толком не освоенной, должен быть создан и испытан буквально за несколько лет, а стоимость его производства составит пару сотен тысяч долларов, что на порядок меньше обычных цен. Но когда в 2016 году SpaceX успешно испытала уменьшенный прототип двигателя Raptor, смешки поутихли. Сложная схема работала – и работала на необычном, полузабытом топливе.
Топливо для Марса
Во времена Вернера фон Брауна метан считался одним из перспективных видов жидкого топлива, однако вскоре его вытеснил керосин. «Космическое ракетостроение всегда находилось в тени военного, а военным проще пользоваться керосином, – объясняет разработчик космической техники Виктор Булыбенко. – Этот вид топлива крайне дешев, прост в обращении, не требует охлаждения и может храниться при комнатной температуре, так что заправленная ракета долго остается на дежурстве. Все признавали, что метан – вариант лучше, но технологий для работы с ним долгое время не было». Такие решения появились лишь в последние десятилетия, когда сжиженный природный газ (состоящий из метана на 96–98%) стал дешевле керосина, легко перекачивается по трубопроводам и перевозится танкерами.
Была у SpaceX и другая причина ориентироваться на метан: экспедиции нужно будет не только добраться до Марса, но и вернуться назад, а для этого ракету потребуется заправить свежим топливом. Керосина на мертвой планете не найти, а водород, который легко получить из местного льда, жидкость слишком капризная, текучая, требующая экстремально низких температур, – использовать его для больших ракет-носителей очень сложно. Идеальным вариантом стал метан: его тоже можно синтезировать на месте из марсианского льда и углекислого газа, к тому же это очень простая молекула, самый короткий углеводород, и он не оставляет после себя твердых продуктов горения, что крайне ценно для многоразового использования ракет и двигателей.
«У керосина с этим большие проблемы: при его сгорании зачастую образуется сажа, – говорит Виктор. – Под высоким давлением и температурой она коксуется, уплотняется и засоряет двигатель. Это видно по многоразовым ракетам SpaceX Falcon 9: часть сажи вырывается наружу и покрывает корпус – он темнеет после каждого полета». Зато метан дает только легкие газы, водяной пар и углекислоту, так что выхлоп остается прозрачным, почти невидимым. После использования двигатель не требуется разбирать и чистить – достаточно заполнить бак свежим топливом, и можно отправляться в новый полет. А полностью реализовать эти преимущества позволяет еще одно полузабытое достижение прошлого.
Виктор Булыбенко, инженер-двигателист, руководитель и главный конструктор стартапа RST Space
«Raptor3 можно сравнить со смартфоном: он так ловко и плотно упакован, что со стороны кажется очень простым предметом. Вообще, SpaceX – это Apple в мире космонавтики: они делают нечто революционное – и все сразу бросаются повторять. Многоразовые ракеты – как Falcon 9, низкоорбитальная связь – как Starlink, теперь вот метановые двигатели с предельными параметрами. После появления шедеврального Raptor весь мир начал работать с этой темой».
Замкнутая схема
Любой реактивный двигатель толкает носитель вперед, отбрасывая назад рабочее тело – например, быстрый поток рас каленных газов, которые образуются в камере сгорания. Чем стремительнее они вылетают из сопла, тем больший толчок придают ракете.