Попытка предсказать четвертую итерацию проекта SpaceX BFR
В одном из недавних твитов Илона Маска было буквально следующее:
Между прочим, SpaceX больше не планирует модернизировать вторую ступень Фалькона-9 для обеспечения многоразовости. Вместо этого ускорена разработка BFR. Новый дизайн впечатляет! Он действительно контринтуитивен.
К сожалению, технических подробностей «радикально нового дизайна» пока нет.
С 2016 года это уже четвертый пересмотр конструкции BFR (ранее ITS). До этого уменьшался диаметр ракеты и параметры «Раптора» в 2017 и появились развитые аэродинамические рули на второй ступени (она же BFS) в 2018. Что может поменяться теперь? И так ли контринтуитивны эти изменения? Попытка ответа на первый вопрос под катом, а ответ на второй мы узнаем только спустя время.
Мавр сделал свое дело
Маск уже не раз демонстрировал что любая, даже самая красивая, технология для него лишь средство достижения цели (мультипланетарного человечества или захвата американского рынка запусков — решайте сами). Под нож пошли Фаолькон-1 (не такой уж бесперспективный, учитывая бум наноспутников), ракетная посадка Дракона-2, перелив топлива на Фальконе-Хэви, спасение второй ступени Фалькона. Теперь, похоже, пора в отставку методу спасения первой ступени, отработанному на Фальконе-9.
Точнее собственно ракетная посадка на своих двигателях вполне может остаться. А вот торможение перед входом в атмосферу, похоже, останется в прошлом вместе с «Фальконом». Напомню, что Entry Burn был ответом на разрушение первой ступени при входе в атмосферу. Вот только для марсианской миссии пришлось начать разрабатывать вторую ступень способную к аэродинамическому торможению с гиперзвуковой скорости. Судя по всему работы по ней развиваются успешно — в следующем году планируется начать прыжковые испытания той самой второй ступени, производство углепластиковых конструкций уже запущено. Вот только ко второй ступени нужна еще и первая, а она примерно в четыре раза больше, а японец заказавший облет Луны, скорее всего, хочет побыстрее. Да и SLS худо-бедно близится к завершению, а ее надо бы обогнать чтобы повысить шансы закрыть ту SLS в пользу BFR.
И тут возникает вопрос зачем вообще первая ступень? Прототип BFR, который должен был везти частную лунную миссию, и так пока что построен на атмосферных «Рапторах» (вакуумные доделать не успевают) и имеет весьма неплохую дельту Вэ порядка 5–7 км/с. Так пусть поработает первой ступенью хотя бы временно! Уменьшение стартовой массы компенсируется отсутствием торможения перед входом в атмосферу. Теперь ступень может тормозиться об атмосферу имея резерв топлива лишь для посадки на баржу. Или вовсе перейдя к самолетной посадке. А вот вторая ступень по началу может быть даже второй ступенью «Фалькона-9» с «Драконом-2».
Согласно прошлогодней презентации Маска вторая ступень BFR (она же BFS) должна иметь сухую массу 85 тонн при массе топлива 1100 тонн. Отношение полной и сухой масс 13.9, что весьма неплохо, хотя у первой ступени «Фалькона-9» этот параметр за 20. Но «Фалькону-9» приходится тратить топливо на торможение перед входом в атмосферу, а у BFS есть теплозащита. Согласно той же презентации, полностью заправленный BFS со 150 тоннами ПН на околоземной орбите будет иметь дельту в 6 км/с. Нашему кораблю придется разгоняться с поверхности на атмосферных двигателях, но пересчет по формуле Циолковского дает 6.45 км/с дельты при ПН 120 тонн без учета аэродинамических и гравитационных потерь. Для их учета отнимем 1.5 км/с.
И так, у нас есть 120 тонн, разогнанных до 5.95 км/с. При удельном импульсе вакуумного «Мерлина» и 100 тоннах на топливо имеем приращение в 6.09 км/с. При сухой массе второй ступени «Фалькона» в пределах 5 тонн имеем свыше 15 тонн на Дракон-2 и почти 1 км/с в резерве. Фактически получаем грузоподъемность несколько выше одноразовой версии Фалькона-Хэви, но со спасением первой степени. На мой взгляд вполне логичный шаг.
Что дальше?
Конечно, описанное выше решение по большому счету паллиативное и рассчитано на достижение конкретной цели (облета Луны) с минимальными затратами при сохранении возможности модернизации для достижения того же Марса. Можно все-таки построить первую ступень с уже традиционной для SpaceX посадкой с тормозным импульсом. Можно использовать старый проект «Триамских близнецов» предлагавшийся Дженерал Дайнэмикс как концепция будущего Шаттла. Но самый интересный вариант — использовать наработки «заклятых друзей» из ULA по цислунной экономике.
В оригинальном проекте Маска предполагалась заправка танкерами, запускаемыми с Земли. Но Луна в смысле гравитационного колодца гораздо доступнее и на ней есть вода из которой можно производить водород и кислород. Апгрейд «Раптора» под водород, либо создание водородника с нуля вместо метана не видится чем-то фантастическим. В конце концов в BlueO со второй задачей успешно справились. При этом вода на Марсе тоже имеется.
Интересным результатом перехода от полностью-ракетной посадки первой ступени к аэродинамической является уменьшение приращения скорости необходимого второй ступени для выхода на низкую околоземную орбиту. Так в рассмотренном выше примере данное приращение составляло чуть больше 2 километров в секунду. При этом изначально концепция Межпланетной Транспортной Системы была основана на том что второй ступени при спасении первой на двигателях требовалось иметь дельту от 6 до 7 км/с что позволяло перезаправить ступень на орбите и лететь к Марсу по быстрой траектории. Но при большей скорости разделения первой и второй ступени придется либо урезать максимальное возможное приращение скорости корабля, либо выходить на НОО с не полностью выработанными баками, что еще больше BFR сближает с проектом ULA.
Водородный межпланетный корабль полной массой 120 тонн, разогнанный первой ступенью до тех же 5.95 км/с, для достижения НОО потратит только 45 тонн топлива. После восполнения израсходованного он сможет прибавить 3.85 км/с имея конечную массу в 50 тонн. Это не 85 + 150 тонн при скорости +6 км/с которые обещал Илон, но зато начальная масса системы при старте с Земли всего 1305 тонн, против ~5000 тонн у «старой» BFR. К сожалению, стартовать с Марса к Земле получится только при конечной массе порядка 35 тонн. Итого имеем 20 тонн ПН, которые оставляем на Марсе перед отбытием домой. И так, ПН меньше почти в 8 раз, ракета меньше чем в 5 раз. Выигрыша не заметно. Незаметно пока не учтем танкеры. BFR требовалось 6 штук, а вот нашей «не слишком большой» ракете — всего 1. Потому что перешли на водород и пожертвовали скоростью перелета к Марсу.
Повторюсь, вышенаписанное было лишь гипотетическим сценарием развития проекта Межпланетной транспортной системы. Что именно в итоге получится у SpaceX покажет время.
