Космос наш! Як компанія SpaceX зробила космонавтику доступною (ВІДЕО)

Що сталося

12 квітня 2016 року – саме в 55-ту річницю польоту Гагаріна - в порту Канаверал у Флориді пришвартувався корабель. Не авіаносець, не круїзний лайнер і не яхта мільярдера, а звичайне судно, переобладнане з цілком прозаїчної баржі. Однак вантаж, який знаходився на палубі цієї баржі – а насправді автономного безпілотного корабля-космопорту «Of Course I Still Love You» - імовірно, є найціннішим із того, що перевозили кораблі у нинішньому столітті. Він привіз у порт першу ступінь ракети Falcon 9, яка успішно сіла на цей корабель чотири дні тому.

Перша в історії посадка ракети на морську платформу. Ракета висотою в 11-поверховий будинок, баржа розміром з футбольне поле

Нагадаємо, 8 квітня приватна космічна корпорація SpaceX запустила ракету-носій Falcon 9 з космічним кораблем Dragon, який мав доставити вантаж на Міжнародну космічну станцію. Це була важлива подія для космонавтики - Dragon уперше летів на МКС після минулорічної аварії, і віз на борту експериментальний надувний (!) житловий модуль BEAM – прототип майбутніх орбітальних станцій.

Відео посадки

Однак найцікавіше почалося після того, як перша, найпотужніша, ступінь ракети-носія виконала свою функцію і відокремилася від ракети. Висота при цьому становила близько 200 км, швидкість – трохи менше 2 кілометрів на секунду. Але на відміну від «традиційних» пусків ракет, ступінь не впала в море. Вона розвернулася й увімкнула три двигуни з дев’яти, щоб зменшити горизонтальну швидкість. Після цього ступінь почала зниження в атмосфері – кероване спеціальними аеродинамічними кермами, які коректували траєкторію. На фінальному етапі польоту три двигуни знову увімкнулися, гасячи швидкість до кількох метрів на секунду. Ракета випустила три «лапи»-опори і здійснила м’яку посадку на палубу автономного корабля.

Посадка, знята камерою з борту ракети

Чому це важливо

На перший погляд, повернення частини ракети після польоту виглядає як цікавий технологічний трюк, і не більше того. Насправді ж ця подія має колосальне значення для космонавтики: бо відкриває доступ до космосу не лише державам, а навіть порівняно невеликим приватним компаніям. По суті, у цій сфері відбувається те саме, що колись сталося із морськими подорожами: якщо Магеллан чи Колумб не могли здійснити своїх експедицій без підтримки королівської влади, то згодом плавання через океан стало під силу фактично будь-яким підприємливим негоціантам.

Баржа з ракетою заходить у порт

Як відомо, людство освоює космос уже понад півстоліття. За цей час вдалося досягнути багатьох вражаючих успіхів. Однак вони суттєво поступаються тим сподіванням, які були поширені на початку космічної ери. Скажімо, такий феноменальний успіх, як висадка людини на Місяці, не отримав продовження – після закриття проекту «Аполлон» нових польотів на Місяць не було, а плани створення постійної бази так і залишилися нереалізованими. Проект багаторазового корабля Space Shuttle, який випередив свій час на десятиліття, був закритий. Більше того, на заміну йому в США не виявилося нічого – і довелося купувати місця для польотів на МКС на російських кораблях «Союз».

Портовий кран вивантажує ракету

Причина цьому відома – вона суто економічна. Запускати ракети коштує астрономічно дорого – 70-100 мільйонів доларів і вище за «рядовий» політ. І весь цей час вважалося, що зменшити цю вартість неможливо: адже всі без винятку компоненти ракети не можуть бути використані повторно. Спроба вирішити цю проблему шляхом створення багаторазових «шатлів» зазнала невдачі: виявилося, що підтримка «багаторазовості» коштує значно дорожче, ніж зробити і запустити нову «одноразову» ракету. Виходу із цього замкненого кола не було. І тут на сцену вийшов Ілон Маск, мільярдер, інженер і засновник приватної космічної компанії SpaceX.

Маск і Марс

SpaceX аж ніяк не був першим приватним аерокосмічним підприємством, яке будує ракети. Однак цю компанію відрізняла мета, з якою її заснував Маск. Він хотів колонізувати Марс.

І це не ексцентричні фантазії багатія. Маск вважає, що для виживання людства необхідно, щоб воно поширилося на інші планети Сонячної Системи. А найкращим кандидатом для «швидкої» колонізації є Марс. Однак для того, щоб говорити навіть не про заселення, а хоча б про пілотований політ на Червону Планету, потрібно радикально знизити вартість космічних польотів.

Корабель Dragon наближається до Міжнародної космічної станції

Маск дослідив ринок і виявив, що аерокосмічна галузь не може запропонувати того, що потрібно для реалізації його мети. Тому він вирішив зробити це самостійно – і заснував SpaceX. Менше ніж за 10 років ця компанія створила «повноцінну» ракету Falcon 9, вантажний корабель Dragon. І зараз успішно заробляє гроші, виводячи на орбіту супутники та забезпечуючи вантажами Міжнародну космічну станцію (а наступного року очікуються перші польоти пілотованих «Драконів»).

При цьому SpaceX застосовує нетипову виробничу модель. Якщо більшість аерокосмічних концернів віддають значну частину проектних завдань на «аутсорс» іншим виконавцям, (так робили Корольов і фон Браун, і з тих пір нічого по суті не помінялося), то SpaceX майже все робить «у себе». Завдяки цьому компанії вдалося суттєво зменшити собівартість, і відповідно, запропонувати на ринку послуг з виведення супутників чи не найнижчі ціни – на 25-40% менші, ніж у конкурентів. Однак і цього було недостатньо. І тут Маск висунув ідею, яка спочатку здавалася абсолютно нереалістичною: повертати «відпрацьовані» ступені ракети на Землю, і використовувати їх повторно.

Посадити ракету

Цю ідею теж навряд чи можна назвати новою: під час пуску «Шатлів» бокові твердопаливні прискорювачі сідали в море на парашутах і потім «перезаряджалися». Однак практика показала, що це неефективно – занурення в солону воду і ризик пошкоджень компонентів змушували витрачати на «оновлення» більше грошей, ніж пішло б на виготовлення нового прискорювача. Більше того, великі ракети неможливо спускати на парашуті. Ракета – це довга тонкостінна труба з алюмінієвого сплаву. Вона добре витримує навантаження по вертикальній осі, але бічні удари деформують її, як пивну бляшанку. А при парашутній посадці такі удари неминучі.

Тому Маск запропонував нову концепцію – садити Falcon на реактивній тязі. Ідея напрочуд дотепна з інженерної точки зору. Майже все, потрібне для посадки, і так є на борту – двигуни, пальне, системи управління. Додаються тільки опори й аеродинамічні керма – а важкий парашут чи «крила» не потрібні. Тягою реактивних двигунів можна дуже точно управляти – і садити ракету з «вертолітною» точністю.

Аварія РН Falcon 9 у червні 2015 відклала польоти цієї ракети на півроку

А як же додаткове пальне – це ж «зайва» стартова маса? Насправді проблема не така суттєва, як здається. По-перше, «зайве» пальне і так є – на етапі відокремлення першої ступені у її баках залишається певна кількість керосину та окислювача. По-друге, інженери SpaceX придумали ефективний спосіб збільшити ресурс палива на борту. Для цього вони... застосували більш сильне охолодження керосину й рідкого кисню, яким «заправляють» ракету. Це дало змогу «щільніше» заповнити баки.

Для відпрацювання технології посадки була створена спеціальна модифікація ракети Falcon. Першу модель назвали Grasshopper – «коник-стрибунець». Вона мала висоту 32 метри і «зафіксовані» посадочні опори. Тестові випробування почалися в 2012 році – Grasshopper піднімався на реактивній тязі, зависав і потім повертався в точку старту. При цьому ракета «вчилася» компенсувати вплив вітру, здійснювати бічні маневри тощо. Максимальна висота польоту Grasshopper склала близько 300 метрів.

Випробувальний політ Grasshopper

Наступна модель - Falcon 9 Reusable Development Vehicle – по суті являла собою «повноцінну» першу ступінь «звичайної» ракети. Вона була в півтора рази вища за Grasshopper, і мала складані, а не зафіксовані опори. Випробувальні польоти почалися в 2014 року – на висоту до 3 км. І завершилися аварійно – в одному з польотів відхилення перевищили критичну межу, і оператор дав команду на самоліквідацію ракети.

В морі і на суші

Однак на той час було вже зрозуміло, що концепція працює. Із 2013 року SpaceX під час штатних пусків ракет імітувала повернення першої ступені – ракета здійснювала гальмування, виходила в потрібну точку траєкторії океану – і падала у воду. Шість таких псевдопосадок забезпечили достатній досвід для того, щоб наважитися садити ракету «по-справжньому».

Для цього SpaceX придбала кілька великих барж типу Marmac і переобладнала їх у автономні кораблі-космопорти. Зокрема, на баржах встановили чотири двигуни, які утримували корабель у заданих географічних координатах із точністю менше метра. Крім цього, їх обладнали системами компенсування морського хвилювання – такими ж, які використовують на бурових платформах. Два кораблі отримали назви в честь розумних кораблів із творів письменника-фантаста Ієна Бенкса. Перший назвали «Just Read The Instructions» («Просто прочитай інструкції»), другий – «Of Course I Still Love You» («Звісно, я все ще тебе кохаю»).

Морська посадка є оптимальною з точки зору енергетики польоту – судно виводять у ту саму точку, де падає перша ступінь. Крім цього, усувається ризик неконтрольованого падіння на голови людей – неминучий під час посадки на сушу. Але додаються ускладнення: погодні умови, хвилювання на морі тощо. Тому SpaceX застосувала відразу дві концепції посадки – на сушу і на море. Обидві виявилися успішними.

Посадка на сушу у SpaceX вийшла з першої спроби – 21 грудня 2015 року перша ступінь ракети Falcon 9 приземлилася на майданчику космодрому на мисі Канаверал.

А от у морі все відбувалося значно драматичніше.

Перша спроба посадки – у ракети не вистачило гідравлічної рідини, втрата керування на фінальному етапі, жорстка посадка, ступінь розбилася об корабель.

Друга спроба – вийшов із ладу клапан одного з двигунів орієнтації, ракета не встигла компенсувати бічне відхилення, перекинулася і вибухнула.

Третя спроба – ідеальна м’яка посадка, однак одна з трьох посадочних опор не зафіксувалася (імовірно, через обмерзання). Ракета впала і вибухнула.

Четверта спроба була приречена на невдачу – здійснювався дуже складний пуск на високу орбіту, який вимагав максимального прискорення ракети і залишав мінімум пального для гальмування. Однак ступінь все ж точно потрапила в корабель – і пробила дірку в палубі. Картина, імовірно, була страшнувата – наразі це єдина спроба посадки, повний відеозапис якої так і не оприлюднили.

Дешевий космос

Наскільки суттєвою може бути економія? Ілон Маск розповідав, що собівартість виготовлення одного РН Falcon 9 - це приблизно 16 мільйонів доларів. Натомість вартість пального для такої ракети – в районі 200 тисяч доларів. Навіть якщо садити не обидві ступені, а тільки першу (а це вже зроблено), то собівартість – з урахуванням обслуговування на посадку, оцінку стану ракети, обслуговування тощо – зменшиться з 16 до 5-6 мільйонів доларів.

Анімаційний ролик Falcon Heavy - наступної важкої ракети SpaceX, перший пуск якої запланований на цей рік

Але і це ще не все. З кожним повторним пуском вартість корисного вантажу, який виводить ракета на орбіту, постійно знижуватиметься. Маск на прес-конференції, присвяченій успішному пуску і посадці Falcon 9, заявив, що розраховує використовувати «повернуті» ступені ще 10-20 разів. А після майбутніх інженерних удосконалень – до 100 разів.

Це ж, до речі, стосується і космічних кораблів, які розробляє SpaceX – вони також спроектовані як багаторазові, з прицілом на режим використання «запустив на орбіту, приземлив, заправив пальним, запустив знову».

Що це означає? Одна тільки SpaceX має виробничі плани виготовити на найближчий рік близько 40 ступенів ракет. Якщо кожен із них можна буде запустити хоча б 10 разів, це вже 400 пусків. Замість десятків тонн виведеного на орбіту вантажу ринок отримає можливість виводити сотні, а потім і тисячі тонн щороку. Нові супутники будуть коштувати не сотні мільйонів доларів, як зараз, а десятки - а то й дешевше. Замовникам не треба буде хвилюватися, щоб орбітальний апарат пропрацював 10-15 років – бо через рік-два можна запустити кращий і дешевший.

Анімаційний ролик Dragon v.2 - майбутнього пілотованого багаторазового корабля SpaceX. Перший політ запланований на 2017 рік

Це відкриває можливості, опис яких схожий на цитування фантастичних романів. База на Місяці й на Марсі. Гігантські орбітальні станції – у тому числі й приватні. Виробничі та готельні комплекси на орбіті. Видобуток корисних копалин на астероїдах – від заліза й нікелю до золота й платини. Швидкісний і екстремально дешевий супутниковий інтернет у будь-якій точці планети. Лавиноподібний сплеск наукових досліджень: будь-який університет зможе дозволити собі власний супутник, а то й космічний корабель.

Наразі на шляху до цього майбутнього залишився лише один етап – успішний запуск «відновленого» носія. Ступінь, яка здійснила посадку 8 квітня, має здійснити наступний політ у травні чи червні. Чекаємо і тримаємо кулаки.

наука технології космос