Отмена 12-го Полета Starship: Проблемы с Механизмом Быстрого Отсоединения Корабля

С момента первого запуска двигателя Raptor на аппарате Starhopper 3 апреля 2019 года прошло чуть более семи лет. За это время SpaceX протестировала более 50 различных аппаратов и испытательных баков, извлекая уроки по созданию Starship и стартового комплекса для него.

12-й полет Starship, кульминация семилетней работы в Starbase, должен был стать дебютом переработанных версий корабля, ускорителя и стартовой площадки, с надеждой на достижение операционной готовности и надежности программы. Старт был запланирован не ранее 22 мая в 17:30 CDT со стартовой площадки Pad 2 в Старбэйсе, штат Техас.

Первая попытка запуска и ее отмена

21 мая погодные условия в начале дня были неблагоприятными, но к моменту запуска улучшились. Однако после нескольких задержек и попыток перезапуска на отметке T-40 секунд, SpaceX отменила попытку запуска, перенеся ее на 22 мая.

В день первой попытки, 21 мая, после потенциальной отмены влажной генеральной репетиции (WDR) 20 мая, погода улучшилась к стартовому окну. Запуск был отложен дважды на полчаса. Заправка топливом прошла почти безупречно, без проблем с транспортными средствами. Затем возникла задержка на T-40 секунд, за которой последовали еще несколько: проверка клапанов быстрого отсоединения, управление давлением в системе быстрого отсоединения корабля (SQD), проблема с водяным дефлектором, а также датчики на манипуляторе SQD. На протяжении всего этого времени команды отслеживали температуру топлива, поскольку слишком высокая температура делает его непригодным для двигателей Raptor. Пятая задержка на T-28 секунд была вызвана тем, что гидравлический штифт, удерживающий манипулятор SQD на башне, не отсоединился, как подтвердил Илон Маск.

Если SpaceX сможет устранить эту проблему к 22 мая, будет предпринята новая попытка запуска в то же время, с закрытием дороги с 10:00 до 21:00 CDT.

Нововведения 12-го полета: Pad 2, Booster 19, Ship 39 и Raptor 3

12-й полет призван представить множество новых компонентов в программу Starship.

Стартовая площадка Pad 2

Полностью переработанная стартовая площадка, Pad 2, теперь направляет выхлопное пламя через пару отверстий с помощью огнеупорного желоба и системы водоотвода, в отличие от прежней шестиопорной конструкции с круговым выхлопом. Вся площадка получила новую систему водяного охлаждения, топливное хранилище, стартовую установку и башню.

Ускоритель Booster 19

Этот ускоритель, Block 3, представляет собой совершенно новую конструкцию. Среди заметных изменений — интегрированное кольцо для горячего разделения ступеней и ферменная конструкция, всего три решетчатых руля и полностью переработанная хвостовая часть. SpaceX применила уроки последних лет для внедрения изменений, давно желаемых инженерами ускорителя.

Двигатели Raptor 3 ускорителя Booster 19

Корабль Ship 39

Ship 39 также выполнен в версии Block 3 и частично имеет новую конструкцию многих бортовых систем. Были перемещены общие и хвостовые купола для увеличения объема топлива, добавлены стыковочные порты для тормозного парашюта, и полностью переработана система управления реакцией (RCS). Этот обновленный корабль предназначен для запуска миссий Starlink, дозаправки на орбите и, в конечном итоге, для доставки людей на Луну.

Корабль Ship 39 выкатывается для полета

Двигатель Raptor 3

Raptor 3 является значительным усовершенствованием по сравнению с Raptor 2. Он разработан для повышения надежности, аналогичной авиационным турбовентиляторным двигателям, с упрощенной конструкцией для облегчения производства. В нем используется новая акустическая система зажигания, не имеющая движущихся частей или искры. Эти воспламенители используют взаимодействие сверхзвукового потока газа из сопла и резонансной трубки, что вызывает резкое повышение температуры и воспламенение газов. Это устраняет необходимость в электрических системах зажигания. Raptor 3 также использует газообразные кислород и метан для раскрутки турбонасосов вместо гелия или азота.

Среди других улучшений Raptor 3 — более высокое внутреннее давление в камере сгорания, увеличенная тяга и сниженный вес. Двигатели Raptor 3 для уровня моря будут иметь тягу 250 тонн (551 000 фунтов силы) с конечной целью в 280 тонн (617 000 фунтов силы), а вакуумные двигатели Raptor 3 в настоящее время достигают 275 тонн (606 000 фунтов силы). Вес двигателя снижен с 1630 кг до 1525 кг, а общий выигрыш в массе на ускоритель составляет около 907 кг благодаря удалению большей части защитного экрана двигателей. Этот двигатель должен стать основой программы до появления более совершенных решений, обеспечивая полеты на Луну и, возможно, на Марс.

Raptor 3 на ускорителе Booster 19

Обширные испытания

В рамках подготовки к этому полету SpaceX провела множество испытаний новой стартовой площадки, самих аппаратов и многих испытательных баков. Испытательный образец хвостовой части ускорителя B18.1 прошел 16 криогенных испытаний. Испытательный образец хвостовой части корабля S39.1 прошел 13 криогенных испытаний. Испытательный бак B18.3 (передняя часть ускорителя и крепления посадочного бака) также прошел 16 криогенных испытаний.

Эти тесты включали использование различных приводов, заглушек и другого испытательного оборудования для сбора данных, направленных на улучшение конструкции Block 3. Что касается самих летных аппаратов: Ship 39 прошел три криогенных испытания, несколько заправочных тестов с тестами воспламенителей, раскрутку турбонасосов и полномасштабный статический огневой тест шести двигателей длительностью 52 секунды. Испытания корабля также включали симуляцию работы "палочек" манипулятора и испытания на нагрузку закрылков с новой ферменной конструкцией.

Слева направо: B18.1, испытательный бак для посадки ускорителя, Ship 40, S39.1, B18.3

Booster 19 прошел четыре криогенных испытания, три заправочных теста (два с тестами воспламенителей), две раскрутки турбонасосов, один статический огневой тест с 10 двигателями и один с 33 двигателями (оба отменены из-за наземных проблем), 15-секундный статический огневой тест 33 двигателей и, наконец, влажную генеральную репетицию (WDR), в ходе которой ускоритель был полностью заправлен жидким метаном (LCH4) и жидким кислородом (LOX).

Вся стопка также должна была пройти полную WDR за день до запуска, но операции были остановлены на середине заправки. Очевидно, SpaceX серьезно относится к изменениям в конструкции и тщательно проверяет все аспекты.

Изменения в таймлайне запуска

С новой стартовой площадкой и ракетой SpaceX также изменила весь предстартовый и некоторые элементы стартового таймлайна. Опрос готовности к заправке топливом теперь происходит на T-00:50:00, значительно позже, чем в 11-м полете (T-1:15:00). Это связано со значительным сокращением времени заправки благодаря новой конструкции топливного хранилища Pad 2, где теперь четыре насоса для каждого типа топлива корабля вместо одного.

Предстартовый таймлайн полета Starship 12

Теперь заправка LOX и LCH4 начинается не одновременно для корабля или ускорителя, а в шахматном порядке. Общая продолжительность заправки всего пакета составляет всего 36 минут и 43 секунды, что лишь немного медленнее, чем у Falcon 9. Для сравнения, 11-й полет занимал 50 минут и 10 секунд.

Ближе к T-0, на T-17 секунд, активируются огнеотклонители внутри нового огнеупорного желоба. Затем, непосредственно перед стартом, активируется верхняя система водяного охлаждения, достигающая полной мощности после того, как ракета покинет стартовую установку.

Во время полета также есть изменения: момент пикового аэродинамического напряжения (MAX-Q) наступает на T+45 секунд, по сравнению с T+00:01:02 для 11-го полета. Это на целых 17 секунд раньше, что демонстрирует увеличение тяги и соотношения тяги к весу у Block 3 по сравнению с Block 2. С более ранним MAX-Q, отключение большинства двигателей (MECO) и горячее разделение ступеней происходят раньше, поскольку ускорителю потребуется меньше времени для вывода корабля на желаемую скорость и высоту. Удалено событие сброса кольца горячего разделения ступеней, так как у ускорителя Block 3 оно интегрировано в передний купол.

Таймлайн запуска полета Starship 12

Посадочный импульс Super Heavy происходит немного позже, чем в 11-м полете, из-за нового профиля скольжения ускорителя, который будет возвращаться под более высоким углом атаки. После завершения посадки ускорителя, отключение двигателей корабля произойдет примерно на T+00:08:11. Это на 47 секунд быстрее, чем в 11-м полете, что снова подчеркивает прирост тяги Raptor 3 в Block 3.

Между T+00:17:37 и T+00:27:15 будет произведено развертывание полезной нагрузки, а примерно на T+00:38:37 впервые состоится демонстрация повторного зажигания двигателей Raptor 3. Предполагая, что Starship успешно пройдет вход в атмосферу, который начинается примерно на T+00:47:47, Ship 39 выполнит посадочный импульс примерно на T+01:05:06. Эта посадка начнется с трех двигателей, затем переключится на два, а завершится на одном двигателе. Миссия в целом, как ожидается, будет завершена примерно на T+01:05:26, когда Ship 39 приводнится в Индийском океане.

Цели миссии

На успех 12-го полета возлагаются большие надежды: полноценное испытание новой стартовой площадки и внедрение трех основных компонентов для летных аппаратов — ускорителя Block 3, корабля и двигателя Raptor 3. Помимо этого, SpaceX протестирует несколько других аспектов.

Поскольку это ускоритель совершенно новой конструкции, SpaceX не будет пытаться поймать Booster 19, а вместо этого осуществит приводнение в Мексиканском заливе. Это поможет проверить новую конструкцию и предотвратить повреждение стартовой площадки в случае неудачи при посадке. Есть вероятность, что Booster 20 будет пойман во время 13-го полета, в зависимости от производительности Booster 19.

Для корабля SpaceX проведет демонстрацию развертывания полезной нагрузки и демонстрацию повторного зажигания Raptor. Полезной нагрузкой снова будут макеты спутников, но теперь их 20, а также два модифицированных спутника Starlink, что в сумме составляет 22 спутника. Последние два будут модифицированы для тестирования будущего оборудования Starlink версии 3 и попытки сканирования теплозащитного экрана Ship 39 перед входом в атмосферу. Это позволит SpaceX сфотографировать теплозащитный экран для проверки его целостности, что критически важно для безопасного возвращения корабля.

Плитки теплозащитного экрана Ship 39, окрашенные в серый и белый цвета

Для помощи модифицированным Starlink и проведения эксперимента несколько плиток были окрашены в серый и белый цвета, чтобы помочь программному обеспечению для обработки изображений определить, на какую часть корабля оно смотрит, и выявить "ложные" отсутствующие плитки. Другие эксперименты с теплозащитным экраном включают удаление одной плитки за одной из передних закрылков для проверки аэродинамических нагрузок на соседние плитки при отсутствии одной. И, наконец, несколько плиток и шесть полных участков были приклеены к подветренной стороне корабля для тестирования нового клея.

В качестве последних задач Ship 39 выполнит экспериментальные маневры, протестированные в предыдущих летных испытаниях, для имитации траектории захвата корабля, включая намеренное нагружение хвостовых закрылков и выполнение маневра динамического крена, как это было видно в 11-м полете.

Траектория

В соответствии с общим изменением, изменилась и первоначальная траектория из Starbase. Теперь Starship полетит не строго на восток, проходя к югу от Флориды, Багамских островов и островов Теркс и Кайкос, и к северу от Кубы, Эспаньолы, Пуэрто-Рико и Подветренных островов.

Сравнение нового полетного коридора с предыдущими полетами

Новая траектория будет направлять корабль немного южнее, проводя его между Кубой и Ямайкой, затем к югу от Эспаньолы и Пуэрто-Рико, и, наконец, между Сент-Винсентом и Гренадинами на Подветренных островах. Есть несколько причин для этого изменения: во-первых, это позволяет избежать нескольких крупных авиационных маршрутов в и из США и северной части Карибского моря. А также позволяет SpaceX отрабатывать траекторию, необходимую для будущих запусков Starlink из Starbase. Траектория посадки остается относительно прежней, за исключением небольшого изгиба в конце зоны, где корабль выполнит маневр динамического крена перед приводнением в Индийском океане.

Ускоритель Booster 15-2 и корабль Ship 38 во время взлета для 11-го полета

Окна запуска

В настоящее время 12-й полет Starship намечен не ранее 21 мая, в 17:30 CDT, для старта Booster 19 и Ship 39, при этом окно запуска составляет 1 час 30 минут. SpaceX также имеет запасное окно 22 мая в то же время. Однако, в случае дальнейших задержек или отмен, SpaceX придется ждать до 26 мая, так как 23, 24 и 25 мая приходятся на выходные Дня памяти, и пляж в эти дни не может быть закрыт.

Время закрытия дороги также изменилось; для вечерних запусков SpaceX раньше закрывала дорогу около полудня CDT. Однако для этого полета закрытия начинаются в 6 утра и продолжаются до 22:00 CDT. Конец этого закрытия предполагает, что площадка и стартовый комплекс безопасны для возвращения общественности в это время.

Независимо от того, когда произойдет запуск 12-го полета, это будет впечатляющее зрелище. Этот полет готовился годами для SpaceX и для космических полетов в целом. Успешный запуск 12-го полета открывает путь для SpaceX к скорейшему началу захвата ускорителей и даже кораблей Block 3.