Об очевидной неадекватности лунного Starship Илона Маска

Как известно, NASA выбрала для возвращения на Луну проект компании SpaceX. Компьютерные картинки выглядят потрясающе, но в адекватности авторов этой космической грезы есть сомнения. Главная проблема очевидна. И это не 15 кораблей-танкеров, необходимых для дозаправки на орбите.

Огромная ракета на Луне – это фантазия из разряда тех, что рисуют будущие космонавты в детском саду. Илон Маск, конечно, мечтатель, но старик Фрейд в гробу наверняка перевернулся. Хоть его можно было б пожалеть. Если не самому мистеру SpaceX, то инженерам NASA. Потому что этот проект выглядит еще более несуразным, чем Space Shuttle, то есть обклеенный войлоком, стекловатой и графитом 37-метровый аэроплан без адекватных средств спасения экипажа, угробивший 14 человек, прежде чем его решили списать за ненадобностью. Так что не надо восклицать: ведь это же NASA! То самое агентство, которое высадило первых людей на Луну почти 55 лет назад!

Да, полвека назад там работали великие инженеры. Но, похоже, с тех пор уровень этой организации сильно деградировал. Space Shuttle тому подтверждение. А теперь агентство решило доверить жизни людей стальному гробу Илона Маска. У этого проекта масса проблем, но почему-то о самой очевидной из них не говорят даже недоброжелатели.

Каких только недостатков лунного варианта Starship HLS (Human Landing System) не обсуждают в сети. Например, много разговоров ведется о том, как сложно астронавтам будет выходить на поверхность Луны из кабины на высоте в несколько десятков метров. Будто спуск на лифте – это нечто невероятно опасное по сравнению с другими этапами полета на Луну.

Между тем, главная проблема этого проекта совершенно очевидна после одного только взгляда на компьютерные картинки с красующимся на поверхности Луны «Звездным кораблем». Для наглядности рядом можно пририсовать лунный модуль «Аполлона», на котором американцы как раз и высадились на поверхность нашего естественного спутника полвека назад.

Надеемся, каждому в глаза бросится разница не только в размерах, но и в пропорциях. Уму непостижимо, почему никто не обращает ни малейшего внимания на этот «опрокидывающий момент». Ведь очевидно, что эта каланча может просто-напросто завалиться при посадке.

Чтобы подтвердить обоснованность этих опасений, напомним вкратце о недавних событиях на Луне и в ее окрестностях.

19 января 2024 года на Луну сел первый японский аппарат SLIM (Smart Lander for Investigating Moon). Посадка, правда, оказалась не совсем мягкой. На высоте 50 м от одного из двух посадочных двигателей аппарата отвалилось сопло. SLIM продолжил снижение со скоростью около 3 м/с на честном слове и одном сопле, однако из-за неравномерности тяги возникло боковое смещение со скоростью 9 м/с. В момент касания вертикальная скорость оказалась не такой уж и большой – 1,4 м/с. Но из-за боковой составляющей аппарат опрокинулся и встал на попа (выше можно видеть фото, сделанное с минилунохода, сброшенного с японского аппарата перед самой посадкой).

Для сравнения ниже изображен SLIM в штатном положении. Японцы придумали достаточно затейливую процедуру посадки: аппарат должен был спускаться, естественно, двигателями вниз, но в самом конце планировался маневр разворота на 45 градусов, в результате чего поверхности касались сначала две задние «ноги», а затем две передние.

Но все пошло не совсем так, как планировалось, и SLIM кувыркнулся с ног на голову. Разумеется, первопричиной казуса было разрушение двигателя, но, согласитесь, конструкция посадочных «тормашек» немало тому поспособствовала.

Чуть больше, чем через месяц, 23 февраля 2024 года, посадку на Луну совершил «Одиссей», первый частный аппарат на поверхности нашей соседки и первый американский аппарат на Луне после «Аполлона-17», прилунившегося в 1972 г. Посадка этого космического странника также проходила с приключениями (см. рис. выше). Штатные лазерные дальномеры отказали, и аппарат садился без данных о высоте. В момент касания с поверхностью его вертикальная скорость составляла 3 м/c, что в три раза превышало штатную, а горизонтальная – 1 м/c. При этом «Одиссей» считал, что продолжает спуск, и не выключил двигатель (см. ниже фото с бортовой камеры в момент посадки).

В дополнение к этим неприятностям аппарат налетел на склон в 12 градусов, одна из шести его посадочных опор подломилась, и он завалился. Руководители проекта пожаловались на неблагоприятное стечение обстоятельств: сочетание боковой скорости и наличие склона в месте посадки. Но они забыли прибавить к этому и конструкцию самого аппарата.

У него довольно высокий центр тяжести. Его создатели объяснили, что на это пришлось пойти, поскольку «Одиссей» был еще и первым межпланетным кораблем с криогенными компонентами топлива – жидким кислородом и жидким метаном, что создавало определенные сложности с их хранением. Наверное, эту проблему можно было как-то решить, но конструкторы не стали париться и просто поместили один бак над другим, понадеявшись на посадочную систему, которая должно было опустить «Одиссея» на Луну точно и нежно. В итоге этот «холодильник» на курьих ножках споткнулся о первую же кочку при отклонении от штатной программы спуска.

Опять же для сравнения: 23 августа 2023 года первую для Индии (и первую вообще в приполярной области) мягкую посадку на Луну совершил «Чандраян-3» (ниже). Причем 3 сентября посадочный модуль еще раз включил двигатели и совершил подскок на 40 см по вертикали и 30-40 см по горизонтали. Все прошло удачно. Разумеется, главная причина успеха состояла в том, что все системы индийского лунника сработали штатно. Но стоит обратить внимание и на то, что по виду этот аппарат вовсе не походил на телефонную будку.

А еще раньше, 1 декабря 2020 года, на Луне побывал третий китайский спускаемый аппарат «Чанъэ-5» (ниже) с задачей доставки на Землю лунного грунта, с которой китайский лунник успешно справился. И, что интересно, он тоже не напоминал покемона с соплом в заду. Видно, что оба этих лунника проектировали инженеры, а не программисты.

Заканчивая обзор недавних событий, нельзя не вспомнить про «Луну-25» (ниже), которая состязалась с индийским коллегой за лавры первой посадки в приполярной области. Увы, и эту лунную гонку мы проиграли. 19 августа «Луна-25» врезалась в поверхность Селены на скорости 1,7 км/с. С посадочными опорами, как видим, у нее было все более менее в порядке. Чего не скажешь о программном обеспечении.

Но вернемся к Starship HLS, который, кстати, как и «Одиссей», тоже использует жидкие метан и кислород. Но главное, что по конструкции это классическая ракета, вторая ступень одноименной сверхтяжелой ракеты-носителя компании SpaceX, предназначенная для полета в плотной атмосфере Земли и имеющая соответствующую форму. И вот эту 50-метровую 1300-тонную колокольню собираются сажать на Луну?

Кто-то может возразить, что Илон Маск давно и успешно сажает еще более удлиненные первые ступени своей ракеты среднего класса Falcon 9 (ниже). Starship имеет высоту 50 м при диаметре 9 м, а первая ступень Falcon 9 – 44 м при диаметре 3,7 м. Но есть разница.

Во-первых, в момент посадки ракетная ступень Falcon 9 представляет собой практически пустую металлическую трубу массой 22,2 т с грузилом на нижнем конце из 9 ракетных двигателей Merlin 1D+ массой по 0,7 т каждый, то есть 6,3 т в сумме. Плюс четыре раздвижные посадочные опоры общей массой 2 т. Это значит, что центр тяжести ступени в момент посадки находится довольно низко. А чем ниже центр тяжести, тем устойчивее система, в чем каждый может убедиться на примере куклы-неваляшки.

Но Starship – это, в некотором смысле, неваляшка наоборот. Потому что на самом его верху размещается полезная нагрузка массой порядка 100 т в виде кабины с астронавтами и всем необходимым для перелета оборудованием.

Обратим внимание и на то, что где-то на уровне этой полезной нагрузки будут располагаться отдельные посадочные двигатели. Причем целых 18 штук! Создатели «Звездного корабля» справедливо рассудили, что при использовании основных двигателей могут возникнуть проблемы из-за контакта струй газа с реголитом. Разлетающийся грунт и камни как минимум затруднят обзор места посадки, а могут и повредить конструкцию корабля. Поэтому сажать Starship предполагается на специальных посадочных двигателях (ниже), наличие которых также не способствует снижению центра тяжести.

Во-вторых, первая ступень Falcon 9 садится не на курьи ножки, а на довольно внушительные посадочные опоры. На рисунке ниже видно, что такая система довольно устойчива и угол ее опрокидывания составляет 23 градуса. (Для сравнения: SLIM был рассчитан на посадку с уклоном не больше 15 градусов).

Разумеется, надо учитывать, что Starship будет садиться не с пустыми баками, и оставшийся в них запас топлива на обратную дорогу снизит положение центра тяжести всей конструкции. Можно прикинуть, что при заполненных наполовину баках, центр тяжести даже при 100-тонной полезной нагрузке будет находиться приблизительно на высоте 15–20 м. Если предположить, что посадочные опоры выступают за обводы корпуса приблизительно на 3 м, как то изображено на картинках SpaceX, то это обеспечит тот же предельный угол опрокидывания в диапазоне 20–30 градусов, что и в случае Falcon 9. Как показал опыт более 290 успешных посадок на Земле, запаса устойчивости в 23 градуса для «Сокола 9» вполне достаточно. А для «Звездного корабля» на Луне? В этом есть большие сомнения.

Ведь, в-третьих, Falcon 9 садится не на грунт, а на бетонную посадочную площадку или на стальную палубу баржи. Кстати, Starship во время испытательных подскоков на Земле также без проблем приземлялся на бетон. Причем вообще без всяких раздвижных посадочных опор, если не считать ножки-обрубки по периметру его нижней юбки (см. ниже). Диаметр в 9 м обеспечил достаточно устойчивую базу для этих опор даже при высоте конструкции в 50 м.

Но он садился почти пустым, а главное – садился на твердую и идеально ровную поверхность. Что касается Луны, то она, конечно, твердая, как в свое время написал на проекте «Луны-9» Сергей Павлович Королев, но не настолько, чтобы быть полностью уверенным, что реголит, то есть сыпучий грунт, без всяких проблем примет махину массой в несколько сот тонн (пусть даже на Луне они превратятся в несколько десятков тонн из-за меньшей в 6 раз силы тяжести).

Разумеется, не стоит преувеличивать проблему реголита. Толщина его слоя составляет от 5 до 15 метров, но на самом деле он сыпучий и податливый только в самом верхнем слое. На глубине ниже 10 см реголит представляет собой довольно плотно утрамбованную массу с достаточно высокими несущими свойствами. Так что при аккуратной и строго вертикальной посадке проблем не возникнет даже у такой громадины, как Starship. Но если он ковырнет лунный песочек при нештатной посадке, то споткнуться способен даже на ровном месте. Ведь эта махина может опуститься с вполне приличным и даже несколько боковым ускорением, если что-то пойдет не так, как задумали программисты.

Конечно, тот же Falcon 9 иногда приходит к месту посадки под весьма впечатляющим углом, как видно на фото выше, – и ничего страшного не происходит. Для «Сокола» такой предпосадочный маневр является стандартным, поскольку сначала ступень падает по траектории мимо баржи, чтобы не разрушить ее в случае отказа двигателя, и лишь в последний момент доворачивает на палубу. Но палуба ровная и на ней не может возникнуть «стечения неблагоприятных обстоятельств». А на Луне – может.

Потому что, в четвертых, Falcon 9 ведет к месту посадки система управления по сигналу спутниковой навигации GPS с точностью 1 м. Она без проблем сажает падающие со 100-километровой высоты ступени точно в центр посадочного круга. А радар на последних километрах ее лишь страхует и контролирует высоту, ввиду чего поверхность площадки покрывают специальной краской, отражающей радиоизлучение. Место посадки радар не выбирает.

На Луне GPS нет, и куда приведут Starship радары, лазеры, телесистемы распознавания препятствий и прочие искусственные интеллекты, знают только программисты. Да и то не точно. Тот же умный SLIM обеспечивал точность посадки в 100 м, и эту точность называли беспрецедентной. Так что вполне может оказаться, что место, на которое плюхнется «Звездный корабль», окажется не таким ровным, как крашеный пол посадочной площадки во Флориде или Калифорнии.

К примеру, лунный модуль «Аполлона-15» 29 июня 1971 года умудрился-таки попасть одной опорой в лунную колдобину. После посадки, к ужасу астронавтов, он начал заваливаться «на спину», но вскоре замер с креном в 11 градусов.

Для этого космического «джипа» парковка на лунном косогоре не стала проблемой. А что произойдет со Starship, если эта башня вдруг станет немного пизанской? Ведь валиться она будет, набирая инерцию. И не факт, что 23 «геометрических» градуса остановят взмах этого маятника со 100-тонным грузилом наверху.

Но даже если корабль не завалится от перекоса в десяток градусов, то сможет ли при таком крене работать пресловутый лифт, который пока по проекту представляет собой просто люльку на тросах? Сможет ли эта громадина потом взлететь с креном в 11 градусов, как без проблем это сделала отделяемая, легкая и компактная взлетная ступень «Аполлона-15»?

Разумеется, SpaceX наверняка предусмотрит систему аварийного взлета при возникновении проблем во время посадки. Но взлетная ступень «Аполлона» массой 4,6 т (760 кг на Луне) – это, по сути, двухместная катапульта. Про Starship такого не скажешь. Даже с учетом того, что падения и крены на Луне происходят медленнее, чем на Земле, давая больше времени на соответствующую реакцию. Вероятно, Starship, по подобию «Аполлонов» и в отличие от Falcon 9, тоже сможет достаточно долго парить над самой поверхностью, на манер вертолета, выбирая подходящее место для посадки. Но это место все равно может оказаться с подвохом.

Кто-то может сказать, что инженеры SpaceX – не идиоты, и они уже неоднократно доказали это своими фантастическими достижениями. Недаром в 2023 году SpaceX запустил в космос почти в 6 раз больше тоннажа, чем весь остальной мир вместе взятый. Наверняка они все правильно рассчитали и в этом случае. Возможно. Но не факт. Потому что кроме фантастических успехов SpaceX дает нам и примеры фантастического легкомыслия.

Решил же Илон Маск поначалу запускать сверхтяжелый Starship с «табуретки», то есть с довольно примитивного стартового устройства в виде стульчака на железобетонных опорах. Если бы у него это получилось, то идиотами оказались бы целые поколения разработчиков ракетно-космической техники, которые для своих тяжелых ракет зачем-то сооружали колоссальные стартовые столы с гигантскими газоотводами, в которые в момент старта спускались целые водопады для гашения энергии истекающих струй газа. А энергия эта такова, что после старта сверхтяжелой «Энергии» металлические плиты, которыми устилали газоотводный канал, находили в степи на расстоянии в несколько километров.

20 апреля 2023 года, во время первого испытания, у инженеров SpaceX явно не вышло оказаться самыми умными. Под «табуреткой» образовалась воронка (выше), а разлетевшиеся обломки бетона повредили стартовую инфраструктуру (ниже).

Но самое главное, что уже в момент старта вырубились 3 двигателя Raptor из 33 на первой ступени. Телеметрия обнаружила аномалии в их работе, и автоматика отключила их. И хотя Илон Маск уверял, что данных о физическом повреждении двигателей «каменным торнадо» у него нет, мало сомнений в том, что они вышли из строя не сами по себе. Маску еще повезло, что 30 оставшимся «хищникам» хватило сил унести 5000-тонную ракету со стартового комплекса. Однако на 27-й секунде взорвался еще один двигатель. В хвостовой части начался пожар. Потом перестала работать система управления вектором тяги двигателей, ракета начала беспорядочно кувыркаться и на 4-й минуте была подорвана системой аварийного прекращения полета.

Да, инженеры SpaceX учли ошибку и заменили бетонное покрытие под своей «табуреткой» на огромную стальную плиту, охлаждаемую фонтанами воды, подаваемой под давлением, превышающим давление исходящих из двигателей струй газа (ниже). И в двух следующих испытательных полетах старт прошел безупречно – все 33 «богатыря» работали без проблем.

Но в первом полете самомнение подвело конструкторов Маска. Они явно понадеялись на авось. Не происходит ли то же самое с лунным Starship? Похоже, инженерам SpaceX тоже приходят в голову подобные мысли, поэтому по мере развития проекта опоры Starship на красивых картинках становятся все более внушительными (см. ниже). Илон Маск и компания, конечно, не идиоты. Но и конструкторы «Аполлонов» идиотами не были. Просто они не так полагались на программистов.

Кстати, в этом состояла одна из причин победы американцев в самой первой лунной гонке с СССР. Пока наши конструкторы мучились с автоматической системой ориентации, стыковки, посадки, возвращения на Землю, американцы просто доверили все критические операции астронавтам. Их лунные модули садились вручную. А поскольку человеку свойственно ошибаться, посадочные опоры сделали такими, что их и под прямым углом не опрокинешь. Разумеется, с тех пор вычислительная техника изменилась очень сильно, но кто сказал, что перестали ошибаться программисты?

Возможно, со временем конструкторы Маска одумаются и приделают своему кораблю ноги побольше. Но вопросы все равно остаются. Это тот случай, когда размер имеет значение. Посадочная баржа для Falcon 9 имеет размер 100 на 50 м, при том что GPS сажает ступени почти точно в ее центр. Одно дело найти для посадки на Луне более-менее ровный теннисный корт, а совсем другое – искать там футбольное поле. Слишком много там может оказаться «лунок для гольфа». Все сказанное, кстати, вполне приложимо и к посадке на Марс, главной цели Илона Маска.

Не будем утверждать, что красивая мечта Маска использовать Starship в качестве универсального средства космических путешествий по Солнечной системе, включая Землю, Луну, Марс и астероиды, в принципе неосуществима. Шаттл ведь тоже удалось довести до реализации. С соответствующими результатами. Есть концепции, которые порочны в принципе. Starship рано или поздно все равно навернется при посадке. Не в первом полете, так в 25-м или 113-м, как «Челленджер» с «Колумбией».

Разумеется, можно принять дополнительные меры безопасности: произвести предварительную разведку в поисках лунных футбольных полей. Развернуть лунную GPS. (Китайцы, между прочим, уже запустили прототип навигационного спутника для Луны). Можно даже забетонировать и покрасить посадочную площадку. (Небезызвестное агентство DARPA, к примеру, уже объявило тендер… на строительства лунной железной дороги.) Но это все в перспективе. А возвращение американцев на Луну, по планам NASA, должно состояться не в далеком будущем, а в сентябре 2026 года! На что они рассчитывали, делая ставку на Starship HLS? Возможно, как автоматический грузовой корабль Starship был бы прекрасен. В будущем. Но прямо сейчас сажать в этот летающий обелиск людей? Адекватным такое решение не назовешь.

До триумфального возвращения на Луну, по планам NASA, осталось 2,5 года! SpaceX уже давно пора демонстрировать, как Starship умеет садиться если не в предгорьях Сьерра-Невады, то хотя бы в бескрайних прериях Техаса. Но о таких испытаниях пока даже слухов нет.

А ведь у этого проекта и кроме безопасного прилунения масса проблем, которые еще предстоит решить. Например, дозаправка на околоземной орбите перед перелетом на Луну. Для этого может понадобиться, по пессимистическим подсчетам, до 15 запусков Starship-танкеров. Понятно, эти танкеры должны быть многоразовыми.

Разумеется, неудача первой попытки вернуть Starship из космоса на Землю во время третьего испытательного полета 14 марта 2023 г. ни о чем не говорит. В данном случае это случилось из-за потери ориентации на спуске. Но, честно говоря, в успехе этой затеи тоже есть сомнения. В 2003 году одной поврежденной панели теплозащитного покрытия хватило для гибели «Колумбии». Проникшая за теплозащиту плазма буквально отпилила у него крыло. Сейчас на Starship плитки осыпаются просто от вибрации работающих двигателей. (Ниже фото третьего испытательного полета: видно, что перед входом в атмосферу нескольких плиток не хватает).

Впрочем, газодинамика – вещь, конечно, не столь очевидная, чтобы о ней рассуждать на пальцах. Тот же шаттл постоянно терял плитки без каких-то последствий. Пока это не произошло в критически важном месте. Возможно, Маск и его инженеры все правильно рассчитали на каких-то своих суперпуперкомпьютерах. Но не исключено, что и здесь они действуют на авось.

Конечно, это тот самый авось, который позволил Маску создать великолепный Falcon 9. Но эта разработка предполагала решение на порядок более простых задач. И, кстати, не все их удалось решить. К примеру, Маск так и не сумел посадить вторую ступень Falcon 9. Потому что даже авось бессилен против законов физики. Спустить на Землю 50-метровую цистерну, слегка закрытую с одного бока керамикой, которая держится на этом боку хуже, чем плитки в ванной, – задача, мягко скажем, нетривиальная. С ней у SpaceX тоже может ничего не получиться. С соответствующими последствиями для всего этого космического столпотворения. И фонтанами здесь уже ничего не исправишь.

Но, повторимся, газодинамика – это не тот предмет, о котором можно судить на глазок. А вот о нелепости красивых картинок со Starship HLS на Луне – можно.