Итерации версий ракеты BFR⁠⁠

Ютуб-канал Everyday Astronaut составил видео про прогресс итераций ракеты SpaceX BFR. Для начала, ознакомимся с цифрами:

MCT (2016):

Высота: 122 метра

Диаметр: 12 метров

Двигатели первой ступени: 42 (Raptor)

Двигатели второй ступени: 6 (Raptor), 3 (Raptor Vacuum)

Стартовая тяга: 128 мН

ПН на НОО (многоразовая конфигурация): 300 тонн, объем неизвестен

BFR (2017):

Высота: 106 метров

Диаметр: 9 метров

Двигатели первой ступени: 31 (Raptor)

Двигатели второй ступени: 4 (Raptor), 3 (Raptor Vacuum)

Стартовая тяга: 52,7 мН

ПН на НОО (многоразовая конфигурация): 150 тонн, объем 800 м3

BFR (2018):

Высота: 118 метров

Диаметр: 9 метров

Двигатели первой ступени: 31 (Raptor)

Двигатели второй ступени: 7 (Raptor)

Стартовая тяга : 60,8 мН

ПН на НОО (многоразовая конфигурация): 100 тонн, объем 1000 м3

Из изменений наиболее заметно значительное уменьшение выводимой полезной нагрузки - несмотря на то, что количество двигателей осталось прежним, а тяга даже увеличилась. Не совсем понятно, чем это обосновано. В абсолютном смысле вывод 100 тонн на орбиту остается крайне высоким показателем, сопоставимый с самым тяжелыми прежним ракетами, такие как Saturn V или Энергия, но уже не является чем-то заоблачным и прежне недостижимым. Приведем сравнение с лунной ракетой Saturn V (насколько это возможно, поскольку она была лишь одноразовой):

Saturn V (1968):

Высота: 110 метров

Диаметр: 10 метров в первой ступени, 4 метра в отсеке астронавтов

Двигатели первой ступени: 5 (Rocketdyne F-1)

Двигатели второй ступени: 5 (Rocketdyne J-2)

Двигатели третьей ступени: 1 (Rocketdyne J-2)

Стартовая тяга: 35 мН

ПН на НОО (одноразовая конфигурация): 135 тонн

Теперь - о форме. Ранняя версия MCT была скорее эскизом из журнала научной фантастики, чем чертежом ракеты. А вот о разнице второй и третьей версии стоит поговорить. Итерация 2018 получила довольно крупные стабилизаторы как в хвостовой, так и в носовой части. В определенной мере, BFR 2018 напоминает увеличенную версию Space Shuttle, но в отличии от челнока, стабилизаторы не являются посадочными крыльями. Их задача - удерживать корабль в нужном положении при входе в атмосферу, и использовать как тормозящее тело для потери скорости.

Другими словами, посадочный профиль BFR будет гибридом профиля Шаттла/Бурана и профиля Falcon 9 - на первом этапе BFR будет тормозить об атмосферу, а во втором - садиться вертикально, как Falcon 9 (посадочные опоры встроены в нижние стабилизаторы BFR).

Аэродинамическое торможение  значительно выгоднее по топливу, чем полностью сбрасывать скорость с помощью двигателей. Но стоит задаться вопросом - значит ли это, что потребуется дорогостоящее и трудное в обслуживание керамическое покрытие для защиты корабля от нагрева при входе в атмосферу, которое использовалось в Шаттле и Буране? Ведь его сложность, медленность в обслуживании, и рискованность - одна из основных недостатков такого дизайна, что Falcon 9 и предлагал, собственно, заменить торможением двигателями. Какой будет износ BFR, если он при возврате будет тормозить аэродинамически, и как это скажется на перспективе быстрого многоразового использования?

Из прочих изменений, заметен отказ от использования вакуумных двигателей во второй ступени, где вместо этого все 7 двигателей - те же, что работают и в атмосфере. Это уменьшает эффективность двигателей (вакуумные двигатели оснащены более крупным соплом, и эффективнее работают вне атмосферы), но уменьшает занимаемую двигателями площадь и позволяет заменить ее грузовым отсеком (отсюда, вероятно, увеличение объема груза с 800 до 1000 м3).

И последнее, о чем было упомянуто - давление двигателей. В Raptor оно крайне высоко и составляет 300 атмосфер. Для сравнения, двигатель Falcon 9 Merlin имел давление лишь в 97 атмосфер, а один из самых производительных двигателей - советский РД-180 - 265 атмосфер. Более высокое давление позволяет повысить производительность двигателя, но увеличивает нагрузки и износ двигателя, и соответственно риск и долговечность.

Вкупе с изменением ориентира на атсмоферное торможение, мы видим, что BFR продолжает курс с "простой, дешевой, и надежной" конструкции Falcon 9, до "высокотехнологичной и производительной" конструкции. Хочется надеятся, что эти изменения себя оправдают, и что история прежних крайне технологичных дизайнов Шаттла и Бурана, которая вышла в чрезмерно сложную, дорогую, а в случае Шаттла - и опасную конструкцию, будет учтена, и не повлияет на мечту Маска сделать космос доступным для колонизации не только в инженерно-техническом, но в и экономическом смысле.