А сегодня ночью, 23 мая, за китайской метановой ракетой ZQ-2 последовала американская ракета Terran-1, тоже созданная в частной компании. Эти запуски частных ракет важны с точки зрения приоритета. Китай и США соревнуются в полетах на орбиту, как в 1957 году на этом же поприще соревновались СССР и США. Тогда, 66 лет тому назад, речь шла о первых в мире керосиновых ракетах-носителях, сейчас же на смену керосину приходит метан и космические сверхдержавы снова соперничают, в этот раз выпуская вперед частные фирмы.
Компания Relativity Space была создана в тот же год, что конкурирующая с ней китайская LandSpace. Ее основали в 2015 году молодые инженеры Тим Эллис и Джордан Нун, оба выходцы из Blue Origin, компании мультимиллиардера Джеффа Безоса, который по интересном стечению обстоятельств тоже занимается метановыми ракетами.
Фишкой новой компании в конкуренции с мультимиллиардером стали аддитивные технологии для производства ракетных двигателей (РД) и других агрегатов ракет-носителей (РН). Применение 3D-принетеров упрощает производство деталей на основе из цифровых проектов, и снижает порог вхождения на рынок аэрокосмических технологий. В 2020-2021 году компания привлекла финансирование в размере 1.335 миллиардов долларов США для своего проекта Terran-1.
Ракета-носитель Терран-1 (Terran-1)
Ракета-носитель Terran-1 создается в Relativity Space c 2017 года и относится к легкому классу. Топливом ракеты является жидкий метан (LCH4) и жидкий кислород (LOX), а в качестве основного конструктивным материала выбран высокопрочный алюмо-скандиевый сплав, как в перспективной российской ракете-носителе Союз-5.
Американская метановая ракета состоит из 2 ступеней диаметром 2.3 метра и головного обтекателя диаметром 3 метра, общей длиной 39.2 метра. Т.е. она существенно меньше китайской ZQ-2. Уступает и заявленная масса полезной нагрузки - 1250 кг на низкой околоземной орбите и около 900 кг на синхронно-солнечной орбите (CCO) высотой 500 км, в два раза меньше, чем у ZQ-2. Масса конструкции ракеты в сборе (без топлива) составляет 9280 кг, с долей 3D печати около 85%.
Ракета-носитель Terran-1
Terran-1 - совсем маленькая ракета, по автомобильным меркам как Газель-"полуторка" и с примерно такой же грузоподъемностью, предназначенная для недорогого частного извоза в космосе (12 млн долларов за полет).
Но в соревновании метановых ракет-носителей главное - не груз, а первенство в его разгоне до первой космической скорости (7.9 км/c), набрав которую он надолго остается на околоземной орбите. Так было и 66 лет тому назад.
Ракетные двигатели "Эон" (Aeon)
Ракета Терран-1 оснащена ракетными двигателями Эон-1 (Aeon-1), большая часть деталей которых напечатана на 3D-принтере. Всего на первой ступени установлен 9 РД Aeon-1 с земной тягой по 10.45 тонн каждый (23000 lbf). Суммарная земная тяга - всего 94 тонны (207000 lbf). На второй ступени установлен один двигатель Aeon-1 с вакуумным соплом, тягой 12.8 тонн (28300 lbf) и возможностью многократного включения.
Энергетические характеристики РД Аеоn не раскрываются (кроме тяги). Известно, что данные РД построены подобно водородному РД J-2 60-x годов XX века, по газогенераторной открытой схеме с отбором нагретых газообразных компонент ракетного топлива для наддува баков окислителя и горючего. Выбранный способ наддува позволяет упростить и удешевить конструкцию ракеты, но сами по себе характеристики ракетного двигателя должны быть далеки от рекордных.
Запуск ракетных двигателей Aeon-1
Интересно, что классическая для частных американских ракет формула РД 9+1 не устраивает компанию Relativity Space. После первых трех полетов там планировали установить на первую ступень один мощный РД Aeon R с максимальной тягой около 136 тонн (300000 lbf). Этот РД создается для перспективной тяжелой ракеты Terran R, будущего конкурента керосиновых РН Falcon 9 и Союз-5, но он может использоваться и в легкой ракете. Дело в том, что тяга 9 малых РД Аeon-1 маловата для Terran-1, а поместить большее число РД в ее корпусе не получается. Один мощный РД первой ступени снизит гравитационные потери на старте ракеты и позволит повысить полезную нагрузку, предположительно, до полутора тонн. Мотор Aeon-1 при этом не остается без работы, поскольку его планировали применять на второй ступени ракеты, где его тяги хватает.
Отметим, что схема "две ступени по одному РД на каждой" считается эталоном простоты космической ракеты.
Среди будущих полезных нагрузок (ПН) ракеты Terran-1 значились различные кубсаты, спутники космической связи Telesat компании Iridium и аппарат Министерства обороны США. Но основное значение этой легкой ракеты состоит в том, чтобы послужить "мостиком" к созданию дорогой и мощной Terran-R, которая будет работать в самом востребованном на рынке секторе.
Первое испытание ракеты-носителя Терран-1 (Terran-1)
3D весовой макет для РН Терран-1
Готовясь к старту, компания Relativity Space провела в феврале 2023 года более 500 испытаний своих ракетных двигателей Aeon-1. Старт ракеты, назначенный на март 2023 года, многократно откладывался по техническим причинам и 23 марта в 3:25 по гринвичскому времени, наконец, состоялся. Красивое голубое пламя вырвалось из сопел девяти двигателей первой ступени. А вместо спутников под обтекателем Терран-1 был установлен металлический 3D принт в роли весового макета. Но ему не суждено было стать первым 3D весовым макетом, вышедшим на орбиту искусственного спутника Земли.
Первая ступень Terran-1 полностью отработала свой активный участок за 2 минуты 40 секунд на высоте 71 км и скорости 7448 км/ч, т.е. 2069 м/c. Это примерно четверть орбитальной скорости. В работу вступила вторая ступень. Но ее ракетный двигатель отключился сразу же после попытки запуска. Ракета с 3D принтом по инерции сделала горку и пошла вниз, став второй метановой ракетой-носителем, достигшей космоса (высота более 100 км, трансляция полета проводилась до высоты 129.4 км).
Как сказали в компании, "Сегодняшний запуск продемонстрировал технологии 3D-печати ракет Relativity, которые позволят создать наш следующий космический аппарат Terran R. Мы успешно преодолели Max-Q, самое высокое напряженное состояние наших печатных конструкций. Это самое главное доказательство нашего нового подхода к аддитивному производству".
Если сравнивать Terran-1 с китайской ZQ-2, то китайская метановая ракета сдалась на более высокой скорости - 5.4 км/c. Когда будет следующая попытка и кто ее проведет?
Отключение РД первой ступени Terran-1
Кто следующий?
В 2023 году должна подоспеть ULA со своей модульной метаново-водородной ракетой Vulсan Centaur, ракетные двигатели для которой готовит мультимиллиардер Джефф Безос со своей командой. Запуск этой ракеты бесконечно откладывается, не в последнюю очередь из-за неготовности ракетных двигателей. Сейчас он планируется на май.
Но глава SpaceX Илон Маск говорит, что уже апреле он готов запустить в космос грандиозную метановую супер-ракету Super Heavy/Starship, если получит на это разрешение от FCC. Правда, тот полет мыслится как суборбитальный, т.е. тоже без набора первой космической скорости и прохождения полного витка вокруг Земли, поскольку для SpaceX важно испытать свой многоразовый космолет Старшип при вхождении в атмосферу. Один этот космолет, даже с пустыми баками весит больше, чем вся ракета Terran-1 с полной заправкой ракетным топливом! Видимо, поэтому ему недосуг соревноваться с мелкими напечатанными на принтере ракетами за право первого орбитального полета. И так будет даже интереснее!
Полет ракеты Terran-1
Что касается компании Relativity Space, то она из метановой орбитальной гонки выбыла. Первая попытка запуска Terran 1 стала последней, ее решили больше не испытывать, а сосредоточиться на создании тяжелой Terran R, которая имеет лучшие коммерческие перспективы. Эта большая, 5.5-метровая в диаметре ракета уже не будет полностью напечатанной на 3D принтере. Пока она существует только в проекте, а ее испытания намечены на 2026 год, когда метановые ракеты конкурентов уже будут вовсю осваивать космос.
