[Перевод] Подробно о SpinLaunch — самом ревностно хранимом секрете в космической индустрии
Компания строит огромную центрифугу для забрасывания ракет в космос
Вакуумная центрифуга от SpinLaunch будет ускорять ракету до 8000 км/ч. Это созданное на компьютере изображение демонстрирует внутренности центрифуги.
Прошлым летом таинственная космическая компания поселилась на огромном складе в солнечной промзоне, окружающей аэропорт Лонг-Бич. Солнечные зайчики от турбовинтовых двигателей скачут по стеклянным панелям здания. Через улицу вывеска «Макдоннелл Дуглас» в ретро-стиле высится над бывшей фабрикой аэрокосмического гиганта, а за углом Virgin Orbit разрабатывает ракеты для запуска в воздухе.
Подходящее место для штаб-квартиры SpinLaunch, компании, вдыхающей новую жизнь в давнюю идею использования гигантских механических пращей для зашвыривания ракет на орбиту. Автор этого дерзкого плана — серийный предприниматель Джонатан Йени. Годами он управлял SpinLaunch, работая на бывшей фабрике по производству микропроцессоров в Кремниевой долине, недалеко от Google. Сегодня компания готова открыть настоящую ракетную фабрику, которая будет выпускать пусковые установки, и, если всё пойдёт хорошо, сделает первые шаги в космос.
Во время моего осеннего визита на фабрику работники SpinLaunch всё ещё распаковывали вещи после переезда. Мы шли между гигантскими разложенными листами стали, и Йени рассказывал мне о том, как будет работать его пусковая установка. Центрифуга настолько большого размера, что в ней поместится футбольное поле, будет раскручивать ракету около часа, постепенно повышая её скорость до 8000 км/ч. Установка с нагрузкой — спутником до 100 кг весом — будет испытывать перегрузки, на пике превышающие гравитацию в десятки тысяч раз. По достижению пусковой скорости центрифуга отпустит ракету и отправит её в стратосферу. На пороге космоса она запустит двигатель для последнего толчка на орбиту.
Сложно принять идею о том, что объект весом в тысячи фунтов [тут непонятно, где ошибка — до этого был упомянут лишь запуск спутников весом до 200 фунтов / прим. перев.] может достичь космоса после того, как его раскрутят на поверхности Земли. Звучит безумно, и компании придётся доказать многое, чтобы отвадить критиков. Пока что ей удалось раскрутить 5-килограммовый груз до скорости 1800 км/ч и швырнуть его в стальную стену. Однако эти тесты и космос разделяет порядка 50 км и огромное количество сопротивления воздуха. Не говоря уже о проблемах постройки центрифуги 100 м длиной с рычагом достаточно прочным для того, чтобы выдержать ракету размером с внедорожник.
Йени надеется, что получит все доказательства уже в этом году. Компания планирует провести первые суборбитальные запуски уже зимой, на новой испытательной площадке в Нью-Мексико. Если система сработает, то SpinLaunch обещает уменьшить стоимость запусков малых спутников в космос почти в 20 раз. Ещё важнее может быть изменение частоты запусков. Йени предполагает, что ускоритель сможет делать по пять пусков в день; большая часть компаний, делающих ракеты, не сможет сделать столько пусков и за месяц. В эпоху огромных скоплений спутников, когда в ближайшее десятилетие планируется запустить на низкую орбиту тысячи спутников, Йени считает, что время SpinLaunch пришло.
Четыре миллиона баксов и безумная идея
Как многие космические предприниматели, Йени был одержим космосом всю жизнь. Однако только в 2014 году он попробовал превратить свою страсть в карьеру. Он говорит, что в то время пытался запустить стартап, связанный со СМИ. Не найдя финансирования, он решил двигаться дальше. Думая о том, чем заняться теперь, он снова и снова возвращался к военному проекту времён холодной войны под названием HARP, в котором США использовали гигантские пушки для того, чтобы выстреливать объекты в космос. HARP доказал, что в космос можно выйти без ракеты, и Йени решил самостоятельно создать кинетическую систему запуска. Он собрал доказывающую работоспособность концепции установку, механическую пращу, способную разгонять объекты размером с пулю до сверхзвуковых скоростей. Он показал её нескольким бизнес-ангелам и собрал немного денег.
Но ему нужна была помощь. В 2014 году он позвонил своему соседу по пансиону, Райану Хэмптону, мастеру по строительству и промышленности. Хэмптон руководил подводной сваркой на нефтяных вышках в Мексиканском заливе, когда Йени пришёл к нему со своим проектом. Хэмптон вспоминает: «Он сказал: у меня есть четыре миллиона баксов и безумная идея, хочешь присоединиться?»
Хэмптон не удержался. В январе 2015 года он полетел посмотреть установку, сделанную Йени. Она не была особенно впечатляющей. Йени показал свою настольную центрифугу и электронные таблицы с расчётами. Однако Хэмптон заинтересовался этим: он понял, что SpinLaunch окажется «чертовски крутым проектом», и подписался на должность первого сотрудника.
У Йени были идеи, а у Хэмптона — опыт строительства разных установок, однако им всё равно нужны были аэрокосмические инженеры. Через несколько месяцев, тёплым весенним днём парочка забралась в «Цессну» Йени и отправилась на край пустыни Мохаве, где собрались десятки студентов колледжа для испытаний своих ракет. Дуэт надеялся нанять там сотрудников.
Одной из их целей стал Дэвид Ренн из университета Сан-Диего. Он несколько недель проходил собеседования со SpinLaunch по телефону, а для интервью с личным присутствием обстоятельства были неблагоприятными. «На тот момент я не спал 36 часов, поэтому был немного не в себе, когда познакомился с Джонатаном», — вспоминает Ренн. И всё же встреча прошла хорошо. Он взял академический отпуск в колледже и отправился в Сан-Франциско, чтобы устроиться в SpinLaunch, где и работает главным инженером-механиком.
Хэмптон говорит, что ранние дни СД напоминают ему жизнь на нефтяной вышке. Сотрудники жили и работали на старой фабрике по производству микропроцессоров, расположенной совсем недалеко от Googleplex. По прибытию Ренна жизненные условия были скудными. «Тогда нашей кухней был пластиковый стол с микроволновкой, — говорит он. — Нужны были люди либо с большими идеями, либо те, кому нечего было терять». В свободное от работы время команда SpinLaunch вместе занималась в импровизированной качалке, смотрела фильмы в «домашнем кинотеатре», или расслаблялась, сидя вокруг костровой ямы, которой служила первая настольная центрифуга Йени.
Команда быстро столкнулась с конструкторскими проблемами. Создаваемая ими центрифуга должна была находиться в огромной вакуумной камере, чтобы избавить её от турбулентности воздуха и улучшить стабилизацию. И когда они разместили заказ на постройку такой камеры, откликнулся лишь один подрядчик — с ценником в $20 млн.
Тогда команда SpinLaunch решила построить камеру самостоятельно. Хэмптон, специалист по подводной сварке, стал экспертом в создании воздухонепроницаемых швов, что хорошо соответствовало новой задаче. Йени заказал на eBay вакуумные насосы и купил стали на $500 000, после чего команда приступила к постройке шестой по объёму вакуумной камеры во всём мире. На это у них ушло восемь месяцев. «Думаю, все мы начали понимать, сколько всего ещё предстоит узнать в мире науки и инженерного искусства, просто потому, что люди не пробовали этого ранее», — говорит Йени.
В 2016 году они закончили строительство первой центрифуги. Она была диаметром в 12 м, и слишком мала для того, чтобы закинуть ракету в космос –, но по сути её конструкция была той же самой. Длинный рычаг, или привязь, тянется от хорошо смазанного подшипника, который вращает мотор. Полезный груз крепится на конец привязи. Чтобы выдерживать чрезвычайные нагрузки, привязь должна быть сделана из чрезвычайно прочных материалов типа кевлара и углеволокна.
После почти двух лет работы по 12 часов день и шесть дней в неделю, команда SpinLaunch была готова к запуску первой настоящей центрифуги. «Мы все набились в комнату, набитую мониторами и камерами, расположенную в 15 метрах», — говорит Йени. Они проверили, что система находится в хорошей форме, и приступили к запуску. «Нажали на газ и побили мировой рекорд скорости вращательных систем».
За следующие несколько лет команда провела сотни высокоскоростных испытаний. Большинство было нужно для изучения и улучшения системы, а некоторые проводились для успокоения скептически настроенных инвесторов и потенциальных клиентов, не веривших в то, что полезная нагрузка выдержит экстремальные воздействия. Команда разгоняла до высоких скоростей солнечные батареи, радиоприёмники, линзы телескопов, аккумуляторы, GPS-модули и управляющие компьютеры; всё оборудование перенесло испытания почти или совсем без повреждений. В одном испытании Йени прикрепил к привязи iPhone, и раскрутил его до таких скоростей, что он испытал силу, в 10 000 раз превышающую гравитацию. После этого он позвонил коллеге по FaceTime. И каждое испытание было небольшим шажком по направлению к космосу.
Первый 12-метровый прототип центрифуги SpinLaunch построили в бывшей штаб-квартире в Саннивейл.
Самая худшая ракета из всех
В центре похожего на пещеру склада SpinLaunch Йени подошёл к объекту и стянул с него брезент. Это, с гордостью сказал он, «самая худшая ракета из всех».
Ракета каплевидной формы 8 метров в длину, вся чёрная с блестящим серебристым кончиком, выглядит грузновато по сравнению с тонкими стреловидными формами привычных ракет. Обычно лишь малая часть массы ракеты может быть её полезным грузом — большую часть отбирает топливо. Поэтому таким компаниям, как SpaceX, требуются ракеты размером со здание, чтобы вывести на орбиту объект размером с легковушку. В аэрокосмических кругах это называют «тиранией уравнения реактивного движения».
Но Йени сообразил, что если запульнуть на границу космоса ракету, которой не нужно нести на себе всё топливо, необходимое для взлёта на такую высоту, её можно делать приземистой, и большую часть её массы отдать на полезную нагрузку. Что ещё лучше, её двигатель не обязан быть очень хорошим. Обычные орбитальные ракеты конструируют так, чтобы выжать до капли всю эффективность из двигателей для максимизации полезной нагрузки во время преодоления гравитации, всю самую тяжёлую работу для запуска ракеты от SpinLaunch выполнит центрифуга.
В проекте SpinLaunch ракета будет раскручена до пусковой скорости, а потом на долю секунды раскроется выходное отверстие, и ракета отправится в полёт. Если верить патентам компании, в этот же момент будет отцеплен противовес, вращавшийся напротив ракеты, чтобы центрифуга не разболталась и не сломалась. Ракета далее будет лететь порядка минуты, и на высоте около 61 км запустит двигатель. На такой высоте атмосфера уже практически не будет противостоять ракете, поэтому для того, чтобы довести её до первой космической скорости в 28 476 км/ч, потребуется не больше минуты работы двигателя. Ещё один 10-секундный запуск двигателя выведет ракету на орбиту вокруг Земли.
Инженеры вокруг первой орбитальной ракеты SpinLaunch; на заднем фоне видна центрифуга.
По крайней мере, если верить заявлениям Йени. Во время моего визита прототип центрифуги ещё не был собран, и Йени не мог показать мне видеороликов, где бы она была в работе. Он настаивал, что расчёты инженеров SpinLaunch верны. Крупные инвесторы — Airbus Ventures, Kleiner Perkins и GV (часть Alphabet) — также дали своё благословление, вложив $80 млн в компанию. В прошлом году министерство обороны США выдало SpinLaunch контракт, чтобы помочь построить их центрифугу. И всё же из-за отсутствия доказательств работоспособности проекта большую его часть приходится лишь додумывать.
Хуан Алонсо, аэрокосмический инженер из Стэнфорда, занимавшийся проверкой благонадёжности для одного из инвесторов SpinLaunch, понимает мою осторожность. «Это экзотическая технология, и впервые услышав про неё, вы думаете, что она в принципе не может работать», — говорит он. Но проверив все расчёты, Алонсо дал инвестициям зелёный свет.
Хотя SpinLaunch с трудом делится точными расчётами, два патента, выданных компании в 2018 и 2019 годах проливают некоторый свет на эту невероятную физику. Но, когда я показал патенты нескольким аэрокосмическим инженерам из лидирующих исследовательских университетов, то большинство из них скептически отнеслись к увиденному.
Самая серьёзная критика со стороны инженеров касалась тех перегрузок, которые ракете предстоит выдержать в центрифуге. При вращении ракета будет испытывать нагрузки в 10 000 раз превышающие гравитацию. Обычной ракете при выходе в космос приходится иметь дело с воздействиями, в 5–7 раз превышающими гравитацию. «Ни одна ракета такого не переживёт, как и электроника в ракете», — говорит Дэн Эрвин, аэрокосмический инженер из университета Южной Калифорнии.
Один бывший работник на условиях анонимности, вызванных подписанием договора о неразглашении, признал наличие разрыва между теорией и реальностью. Он описал прототип центрифуги SpinLaunch как довольно простую машину, которую «смогла бы собрать любая команда из инженеров средней руки». Сотрудник сказал, что масштабировать её до функциональной орбитальной пусковой установки будет «очень сложно», учитывая ресурсы SpinLaunch. Также он отметил отсутствие опыта у некоторых лидеров. «Способностей предсказать появление множества проблем, которые обязательно появятся, явно недоставало», — сказал он.
Йени слышал такую критику и раньше. Он считает, что отсутствие подобного опыта в индустрии только им на руку. «Мы собирали команду инженеров, по большей части слишком молодых для того, чтобы заявлять, что SpinLaunch не сработает, — сказал он. — В них много энергии и восторгов, связанных с желанием узнать, что получится».
Что до воздействий, он указывает на долгую историю аппаратов, выдержавших путешествие в космос в сходных с теми условиями, которые нужно будет выдержать аппарату в SpinLaunch, включая гигантские пушки армии США и современные самонаводящиеся ракеты, способные выдерживать силы в тысячи раз превышающие гравитацию. Кроме того, сказал он, его ракета будет прочнее среднего аппарата — будет больше похожа на боевую ракету, чем на Falcon 9 от SpaceX.
Как показывает демонстрация с iPhone, электронные компоненты тоже могут переносить экстремальные воздействия во время ускорения, хотя особо чувствительной электронике может понадобиться некоторая модификация. К примеру, компания уже зарегистрировала патенты на более прочные солнечные панели и управляющих модулей, которые спутники используют для ориентации в пространстве.
«SpinLaunch не делает чего-то принципиально нового — мы просто идём по стопам предыдущих разработок», — говорит Йени. Позднее в этом году он планирует доказать это во время первого суборбитального пуска, который должна выполнить его система.
Сотрудники SpinLaunch изучают внутреннюю часть 12-метрового прототипа центрифуги
Долгая дорога в космос
Физика — не единственное препятствие на пути компании. SpinLaunch в итоге потребуется пусковая площадка на побережье, чтобы их ракеты не представляли опасности для населения. Поиск подходящего места оказался более сложным делом, чем предполагал Йени. В апреле 2018 года Хэмптон и Рафаэль Фелдман, менеджер проекта, летали на Гавайи, чтобы получить разрешение на постройку своего предприятия на Большом острове. Сначала власти штата поддерживали их, и даже разработали инвестиционный план на $25 млн, который позволил бы гавайцам вкладываться в компанию посредством долговых обязательств, обеспеченных правительством. Однако во время напряжённой встречи в городской ратуше в общественном центре Наалеху на Большом острове, близ того места, где SpinLaunch собиралась строить свою площадку, местные жители обрушили шквал критики на местных чиновников, обвиняя их в коррупции, и беспокоясь о том, что площадка SpinLaunch уничтожит местную природу и станет угрозой для местных жителей.
«Если каким-то образом место для этого непродуманного и сырого проекта будет выделено, то я скажу вам, где вы сможете меня найти, — сказал один местный житель. — Вы сможете найти меня у ворот этого предприятия, заасфальтировавшего святые места и лавовые трубки, и я буду прикован к этим воротам криптонитовыми замками и цепочками, пока вы не уберётесь отсюда».
Угрюмая атмосфера в ратуше привела к тому, что финансирование не состоялось, и SpinLaunch пришлось отказаться от Гавайев. А пока идут поиски других прибрежных площадок для запуска, компания строит новый испытательный полигон на материке.
В мае SpinLaunch начала работы в космопорте «Америка» в Нью-Мексико, где сейчас строит центрифугу в три раза более крупную, чем та, что стоит в Лос-Анджелесе. Йени надеется, что они смогут провести первое суборбитальное испытание уже в этом году, и будут запускать объекты весом до 50 кг на стрельбище Уайт-Сендс. Испытания станут значительным шагом по сравнению с запуском пятикилограммовых грузов, с которыми они пока работали. За последние несколько месяцев Хэмптон с парой десятков сотрудников жили близ космопорта во временном городке из грузовых контейнеров. У них есть джакузи, тир для стрельбы из лука, и комната виртуальной реальности — небольшие развлечения, призванные облегчить жизнь посреди пустыни.
Йени говорит, что уверен, что их система будет работать в рамках ожиданий, и что они скоро будут готовы к появлению очереди из клиентов. Поездка в космос у SpinLaunch будет стоить по $500 000 за запуск, и Йени говорит, что пока готов работать только с компаниями, желающими запускать десятки или даже сотни спутников.
Запуск даже одного такого спутника на орбиту станет серьёзным достижением. История частных космических компаний представляет собой по большей части историю неудач, однако, будто Сизифу космической эры, Йени, кажется, нравятся трудности. Исследования космоса требуют смелости, позволяющей штурмовать неизвестность, и в случае SpinLaunch область неизвестного довольно обширна. Однако в награду можно будет получить, ни больше, ни меньше — новую дверь в космос.
