Что произошло во время последнего запуска Falcon 9 компании SpaceX и о чём это говорит?

Последний запуск ракеты-носителя (РН) Falcon 9 компании SpaceX ознаменовался чередой событий, интересных с технической точки зрения. Выводы из произошедшего складываются двойственные: была вновь доказана высокая надёжность этой ракеты, но при этом возникли вопросы к некоторым аспектам повторного использования её первой ступени. Что же произошло и почему это может оказаться очень важным?

Запуск РН Falcon 9 со спутниками Starlink 18 марта 2020 года. Видео начнётся за десять секунд до старта. Credit: SpaceX/Space News Pod.

История головокружительного успеха

Falcon 9 — разработанная и эксплуатируемая компанией SpaceX, директором которой является небезызвестный Илон Маск, частично многоразовая двухступенчатая ракета-носитель. На данный момент она считается довольно надёжной за счёт хорошей наработанной статистики безаварийных пусков. Последней крупной неприятностью стал пожар на стартовом столе 1 сентября 2016 года, возникший во время подготовки к тестовому прожигу. Тогда в огне сгорела и ракета Falcon 9, и её полезная нагрузка (ПН) — израильский спутник «Амос-6», а все запуски были прекращены до конца года. Последней же аварией РН в полёте стал случай, произошедший в июне 2015 года, когда Falcon 9 не смогла вывести на орбиту космический корабль (КК) Dragon. Но с тех пор компания не только нарастила число пусков, но и добилась безаварийности. Более пятидесяти безаварийных пусков¹ с 2017 года и по сей день — прекраснейший результат для компании, которая ещё в начале десятилетия могла мечтать лишь о нескольких запусках в год!

Но большим достижением SpaceX является создание по-настоящему уникальных технологий многоразовости для элементов своих ракет: первой ступени и створок головного обтекателя. Это было сделано с целью удешевления запусков, ибо при нынешних технологиях и высокой стоимости экспансия космоса человечеством становится непомерно затратным делом. Илон Маск для понимания целей компании привёл аналогию с авиалайнером:

«Представьте, что каждый "Боинг-747" выбрасывался бы после первого же своего рейса, допустим, в Лондон. Вы видите в этом смысл? Кто из его пассажиров смог бы позволить себе билет стоимостью в миллион долларов? Если б и нашлись такие чудаки, они никогда не смогли бы сделать пассажирскую авиацию массовой. Так же и с космическими пусками. Пока ракеты не станут многоразовыми, как самолёты, они никогда не будут доступны массовому клиенту».

Вопреки неудачам и скептическому отношению к затее², компании удалось создать и отработать сначала технологию возврата первой ступени, а после и возврат створок обтекателя с целью их повторного использования. Полностью одноразовой остаётся лишь вторая ступень. В случае с двухступенчатой РН Falcon 9 и созданной на её основе Falcon Heavy это особенно оправдано, так как первая ступень, а также боковые ускорители у Falcon Heavy, созданные на её основе, значительно больше и, соответственно, дороже нежели вторая ступень.

Ракета-носитель Falcon 9 на стартовом столе. REUSED — повторно использованные компоненты (первая ступень и створки головного обтекателя), NEW — новый компонент (вторая ступень). Хорошо заметны пропорции ступеней. Credit: SpaceX/spaceflight.com.

Результат не заставил себя долго ждать. SpaceX произвела эффект разорвавшейся бомбы, настолько велики были последствия от появления этого игрока на рынке запусков! Успех SpaceX (тем более это был первый «частник», успешно запустивший ракету в космос) подтолкнул и других к созданию своих частных космических компаний, большая часть из которых быстро канула в Лету, но были и те, кто добился определённого успеха. Среди них можно выделить Rocket Lab, Blue Origin, и S7 Space. Но ни одной из них пока даже близко не удалось подойти к результатам SpaceX. Низкая (но ещё отнюдь не революционно низкая) стоимость запусков, что было достигнуто повторным использованием ступеней, высокая надёжность и доверие среди заказчиков обеспечили компании огромный портфель заказов. SpaceX начали доверять NASA и военные, заключая контракты на важные запуски. Так, например, именно Falcon 9 вывела в космос телескоп NASA TESS. Многим другим игрокам пришлось уменьшить цены, чтобы конкурировать с новым носителем. Так, например, стоимость пуска РН «Протон-М» была для этой цели снижена до $65 млн, о чём в своём интервью ТАСС упомянул бывший руководитель ГКНПЦ имени М.В.Хруничева Александр Алексеевич Медведев. Удешевление запусков привело к росту заказчиков, у которых появилась возможность запустить свой спутник. Произошёл и рост числа запущенных микроспутников.

Работа над Falcon 9, по сути, велась до 2018 года, пока не была создана окончательная версия ракеты-носителя — Block 5. Её первый запуск был произведён 11 марта 2018 года. Block 5 имеет множество улучшений по сравнению с предыдущими модификациями, но главное — возможность повторно использовать первую ступень до десяти раз! В более ранних модификациях первую ступень можно было использовать лишь два раза.

Проблемный запуск

SpaceX начала постепенно наращивать число запусков ступеней версии Block 5. 15 марта этого года должен был состояться очередной запуск новой партии из шестидесяти спутников системы глобального Интернета Starlink. Это был 83 по счёту пуск РН Falcon 9, в нём использовалась ступень B1048, для которой это был уже пятый запуск, что является рекордом повторного использования. Однако пуcк был прерван автоматикой РН сразу же после запуска двигателей первой ступени. Один из двигателей, как выяснилось, не вышел на заданный режим работы. Через некоторое время на сайте компании было выпущено заявление, в котором сообщается, что стандартное автоматическое прекращение процедуры запуска было вызвано «прерыванием в поступлении данных во время проверки мощности двигателя». Запуск РН было решено перенести на 18 марта.

Прерванный запуск РН Falcon 9 со спутниками Starlink 15 марта 2020 года. Credit: SpaceX/SciNews.

18 марта в 12:16 UTC (в 15:16 по Москве) с космодрома на мысе Канаверал, штат Флорида, после перепроверки РН инженерами, партия спутников была запущена на заданную орбиту. После отделения первая ступень начала в полностью автоматическом режиме возврат на Землю. В Атлантическом океане её ждала плавучая платформа Of Course I Still Love You, но совершить филигранную посадку, что уже стало обычным делом, ступень не смогла. Многие догадались о проблеме тогда, когда внезапно прервалась трансляция с возвращающейся на Землю первой ступени, хотя со второй она не прекращалась. Особого ажиотажа из-за этого не было, ведь хоть технология уже отработана, но иногда такое бывает, ибо возврат ступени — процесс сложный и зависит от большого числа факторов. Статистика последних лет показывает, что в год SpaceX обычно теряет одну или две ступени.

После от SpaceX поступило очень интересное сообщение об отключении одного из двигателей прямо во время пуска. Не указывается, когда именно это произошло, но явно до отделения первой ступени, т.е. когда она ещё работала. Преждевременное отключение двигателя — серьёзнейшая нештатная ситуация. Для многих других РН, эксплуатируемых ныне, это может спокойно обернутся аварией. Однако Falcon 9 без проблем вывела ПН на заданную орбиту. Произошедшее прокомментировал Маск:

«Было раннее выключение двигателя в полёте [PH], но это не сказалось на выведении [ПН] на орбиту. Это показывает важность наличия девяти двигателей».

Действительно, на Falcon 9 установлено девять двигателей Merlin 1D собственной разработки SpaceX, расположенных в схеме Octaweb, т.е. с одним центральным двигателем и остальными восемью, расположенными вокруг него.

Компьютерная модель размещения двигателей Merlin 1D на первой ступени. Credit: SpaceX.

Схема Octaweb позволяет перераспределить тягу в случае отключения одного из двигателей, что и было продемонстрировано 18 марта.

SpaceX также удалось вернуть на Землю створки головного обтекателя. Компания пока только обкатывает эту технологию, однако, как мы и прогнозировали (последний абзац) почти два года назад, она успешно развивает её и справляется с поставленной задачей.

Не просто отключился, а разрушился?

В SpaceX уже начали разбирать причины произошедшего и выводы компании пока не известны. Однако разобраться в ситуации может помочь запись прямой трансляции. Имеется предположение, что двигатель разрушился прямо в полёте, о чём говорят следующие моменты.

На 2 минуте и 22 секунде полёта можно заметить «выхлоп» во время работы двигателя:

Credit: SpaceX/zelenyikot.

А на этапе возвращения первой ступени можно заметить отделение какого-то элемента от ракеты:

Замедленный фрагмент трансляции. Credit: SpaceX/zelenyikot.

Через некоторое время, напоминаем, трансляция со ступени прервалась, а сама посадка не удалась.

Ограничения многоразовости?

Конечно, пока нет официальной информации о причинах отключения двигателя и о том, как связано прерывание запуска 15 марта с этим инцидентом. Но если двигатель действительно разрушился, то почему это произошло именно сейчас? Это явно не заводской брак, ибо предыдущие четыре пуска прошли штатно. Напрашивается следующий вывод: длительная эксплуатация ступени привела к накоплению как минимум в одном двигателе дефектов, что привело к его отключению, тем более SpaceX впервые запускала одну и ту же ступень в пятый раз. Кстати, в турбонасосах двигателей предыдущих версий РН были обнаружены микротрещины после эксплуатации, поэтому в Block 5 они были полностью перепроектированы, что позволило избавиться от этой проблемы. Возможно, что всё-таки конструкция пока ещё не может выдерживать слишком долгой эксплуатации.

Впрочем, причины могут быть и иные. Например, «человеческий фактор», ошибки в подготовке двигателя к старту, что привело к сбою 15 марта, а неполное/неправильное их устранение — к проблемам при запуске 18 марта.

Выводы и последствия

Если подтвердится, что причина нештатной ситуации кроется в постепенном накоплении дефектов при запусках, то компании, скорее всего, придётся временно ограничить число повторных использований ступеней. Из-за этого SpaceX навряд ли удастся ещё больше понизить цену на запуски, к чему она так стремилась. Далее появляется вопрос об их устранении. Например, можно менять старые двигатели на новые. Возможен и вариант изменения конструкции. Впрочем, в компании могут отказаться от этих шагов, особенно если потребуются значительные изменения конструкции. Дело в том, что сейчас SpaceX работает над амбициозными и крайне сложными проектами сверхтяжёлой РН Super Heavy и КК Starship. Планируется, что в перспективе они заменят и Falcon 9, и Falcon Heavy, и Dragon 2³. Однако даже в этом варианте соответствующие выводы компании придётся сделать в любом случае: новый комплекс будет полностью многоразовым.

Но из произошедшего можно сделать ещё один вывод, причём на фоне отключения двигателя он в какой-то степени парадоксален. Ракета-носитель Falcon 9 вновь доказала свою надёжность, так как смогла не только автоматически прервать запуск 15 марта, но и 18 марта, несмотря на отключившийся двигатель, вывела ПН на заданную орбиту, т.е. выполнила свою главную задачу. У многих других РН, как уже говорилось выше, такая неисправность привела бы к аварии.

Также не стоит забывать о том, что в случае пилотируемого полёта такая неисправность может привести к его автоматическому прерыванию и последующей инициации системы аварийного спасения. Последняя, кстати, была испытана компанией 20 января этого года у КК Dragon 2, что стало последним испытанием перед первым пилотируемым пуском.

1 — Был лишь один странный случай. 8 января 2018 года РН Falcon 9 вывела в космос секретный спутник США Zuma, однако некоторые СМИ сообщили о том, что аппарат не вышел на связь. В ответ на запросы журналистов SpaceX заявила, что РН отработала нормально, судя по телеметрии. Учитывая, что общественности не доступна никакая информация про спутник, и он, видимо, используется для разведки, можно предположить и вариант намеренной дезинформации о поломке аппарата. Сам спутник Zuma был построен компанией Northrop Grumman, запуск признан успешным.
2 — В основном из-за неопытности SpaceX и технической сложности проекта. Разрабатывать технологию возврата первой ступени компания начала ещё до первого запуска Falcon 9, когда у неё за плечами были лишь неудачные пуски Falcon 1.
3 — КК Dragon уже заменён грузовой версией Dragon 2, которая создавалась вместе с пилотируемой. 7 марта этого года была запущена двадцатая, последняя миссия КК Dragon к Международной космической станции (SpaceX CRS-20). Это, кстати, был третий полёт корабля C112 в космос, а первая ступень РН Falcon 9 совершила пятидесятый в истории SpaceX возврат на Землю.