Первые испытания Starship должны быть проведены уже в апреле. Первый испытательный пуск всегда — terra incognita. Здесь же предстоит испытание космической системы новой архитектуры и масштаба. Starship — носитель рекордной массы и размеров, и его посадочная схема совершенно непривычна и никогда не реализовывалась. Как пройдет первый испытательный пуск, из чего он складывается? Naked Science подробно разбирает для вас планируемые полетные ситуации.
Полетная схема предстоящего запуска
Сценарий будущего испытания одновременно и понятен, и своеобразен. Вот его ключевые этапы: запуск, посадка пустой первой ступени, выход на низкую опорную орбиту, выполнение на ней почти полного оборота, торможение с переходом к посадке и посадка на воду. В схеме полета скомбинированы и отработанные в разное время решения, и совершенно новые элементы, выполняемые впервые. Все это делает предстоящее испытание весьма интересным, а его исход непредсказуемым.
Запуск носителя рекордной массы и размеров будет выполняться со стартового комплекса орбитальной стартовой площадки на базе Starbase компании SpaceX на берегу Мексиканского залива, район Бока-Чика, Техас, США. Этот пуск станет и первой проверкой стартового устройства. Полет после старта вряд ли будет необычным до разделения ступеней (170 секунд после старта, параметры движения при разделении неизвестны). После него первая ступень Super Heavy зайдет на посадку и приземлится в воду Мексиканского залива.
Starship продолжит разгон и набор высоты до выхода на круговую низкую опорную орбиту. Азимут пуска планируется порядка 100-110 градусов, что даст небольшое наклонение орбиты. Трасса, ее наземная проекция, пройдет к востоку-юго-востоку между Флоридой и Кубой, далее спускаясь к экватору, огибая южное полушарие и поднимаясь обратно в северное. Завершая виток, Starship подойдет с северо-запада к району посадки. После тормозного импульса он снизится и спустится в атмосфере до места приводнения, находящегося в океане в 100 километрах к северо-западу от острова Кауаи, самого северного острова Гавайского архипелага.
Схема полета в целом понятна, но детали в основном неизвестны: ни дальность, скорость, перегрузка, высота, ни подробности конструкций. Основания и логика выбора решений, если они не объяснены создателями, остаются лишь нашими догадками. Кроме того, до сих пор время от времени всплывает новая информация, уточняющая или меняющая детали картины. Поскольку ни у кого, и у нас в том числе, нет точных и надежных данных, то мы хотим взглянуть с разных ракурсов на предстоящую испытательную работу без абсолютных утверждений и однозначных оценок.
Одни элементы планируемого пуска легко угадываются в прошлом, другие выполняются впервые. И все они имеют разные оценки, вплоть до остро дискутируемых
Орбита ли орбита, если окружность не закрыта?
Дискуссии начинаются уже с того, является ли вообще орбитальный участок испытательного полета Starship полноценной орбитой, если не будет полного оборота. С точки зрения динамики полета не важно, сколько времени или километров аппарат пролетел по орбите, достаточно ли для зачета. Важно состояние орбитального движения — оно определяет, движется ли аппарат по орбите, и по какой. Практика космических полетов на добрую половину состоит из случаев неполного оборота по орбите. Например, к таким случаям относится использование низких опорных орбит. Опорной называется орбита, занятая для перехода с нее на другую в нужный момент. Их обычная высота в России круглые 200 километров, в США 185 километров (круглые 100 миль). Среди всех рабочих орбит здесь и скорость полета самая высокая, и плотность атмосферы (ниже плотность атмосферы еще больше — но орбиты уже неустойчивые), поэтому аэродинамическое торможение ощутимое.
Здесь часто нет смысла делать полный виток — после него местная баллистическая ситуация обычно повторяется: снова те же точки орбиты, высота и скорость. Не делают виток и на переходных орбитах между начальной и целевой орбитами — достаточно самого перехода. Геопереходные орбиты для выхода на геостационарную орбиту используются без полного витка. Это и опорные орбиты, по которым доезжают до следующего включения двигателя, формирующего из этой точки нужный эллипс переходной орбиты: например, нужно просто сместиться от экватора до полюса за четверть оборота для достижения заданной географической точки включения двигателя. InSight запускали на Марс впервые с полярной орбиты. В качестве опорной он прошел по ней из Вандерберга в Калифорнии на юг до Антарктиды и тамошнего полярного второго включения «Центавра» для перехода на гиперболическую траекторию. Свой дальнейший перелет к Марсу InSight тоже сделал без полного витка вокруг Солнца, а только до встречи с Марсом.
Именно состояние движения по орбите и представляет интерес — оно дает возможность проверить управление полетом и работу систем в невесомости. Последнюю можно «получить» и на суборбитальной траектории, но на ней не будет отработки полной энергии орбитального запуска. Вдруг на скорости 7,7 километра в секунду, перед выходом на орбиту, что-то окажется не так? А суборбитальные скорости — пониже. И тогда режим полета в диапазоне между суборбитальной и орбитальной скоростью останется непроверенным.
Похожие полеты полвека назад
Близким баллистическим аналогом предстоящего испытания Starship были полеты ракеты Р-36орб, индекс 8К69. Эта боевая ракета формально входила в тип межконтинентальных и выводила головную часть на низкую околоземную орбиту. Головная часть 8Ф021 была единственной в своем роде: и боевой, и орбитальной; а сама ракета, таким образом, единственной боевой ракетой-носителем.
Вопреки расхожим представлениям, головная часть Р-36орб не базировалась на орбите. Это нерационально, ведь орбиту быстро не повернуть в пространстве так, чтобы ее трасса оперативно прошла через наземную точку цели. При орбитальном базировании ожидание прохода головной части до цели может составлять до одного периода обращения (если головная часть уже прошла цель, оставив ее позади) — то есть до полутора часов. Что не так оперативно, как 30-50-минутный полет межконтинентальной ракеты.
Ракета Р-36орб запускалась с боевой стартовой позиции непосредственно в ходе нанесения удара, как обычная боевая ракета. Выход головной части на низкую опорную орбиту — боевую орбиту — позволял продлевать ее путь до противоположной точки Земли. Дальше, в общем, и не стоит, тогда цель уже окажется ближе, но с другой стороны; проще именить азимут пуска на 180 градусов, уменьшив полетное время. Орбитальная скорость больше суборбитальных, поэтому орбитальная головная часть дойдет до цели быстрее обычных боеголовок, и с ростом дальности этот выигрыш будет все больше. Для разгона до орбитальной скорости массу головной части ограничили 1700 килограммами.
Орбитальная головная часть 8Ф021 ракеты Р-36орб. Слева спускаемая часть ДЗ-2, то есть сама боеголовка с боевой частью. Справа тормозная ступень 8Ф673 и ее схематичное устройство. Видно большую степень расширения сопла двигателя РД-854, предназначенного для работы в космосе. И характерные широкие пустотные раструбы сопел стабилизации по тангажу и рысканию, работавших при торможении главным двигателем / ©Kosmonavtika.com.
Неизвестность точки схода с орбиты (момента времени и величины тормозного импульса) не дает прогнозировать район падения с этой орбиты, как это можно сделать по обычной баллистической траектории. Возможен и полет по длинной траектории с выполнением более половины витка: с заходом на территорию вероятного противника со стороны слабой защищенности цели, с направления Антарктиды, например. Но такая длинная трасса даст и долгое полетное время с возможной дискуссионностью боевого выигрыша.
После выхода на орбиту головная часть Р-36орб функционировала как орбитальный космический аппарат. Помимо боевой части (термоядерного заряда с блоком управления) на борту была инерциальная система управления полетом, с подсистемами ориентации и стабилизации. В дополнении к ней текущая высота изменялась радиовысотомером в начале и конце орбитального участка. По измеряемым данным рассчитывался тормозной импульс и время работы двигательной установки, входившей в состав тормозной ступени головной части.
