Тур по Starbase. Часть 1
SpaceX30 июля 2021 года Тим Додд (Everyday Astronaut) посетил Starbase и взял интервью у основателя и главного инженера компании SpaceX Илона Маска. Вот основные тезисы из первых 50 минут более чем двухчасового интервью.
Производство
Илон Маск в очередной раз подчеркнул, что производство - недооценено, а разработка, напротив, весьма переоценивается. Наладить производство в 10-100 раз сложнее, чем разработать сам продукт, что, по словам Маска, особенно верно в случае с двигателями Raptor. По мере увеличения объёмов производства, усилия, которые идут на непосредственное проектирование, сводятся к нулю.
В качестве примера, Маск отметил, что спроектировать двигатель закрытого цикла - легко, чрезвычайно сложная часть - это свести его стоимость к <1000$ за тонну тяги. Поскольку каждый Raptor развивает ~230 тонн тяги, стоимость производства каждого двигателя должна составлять менее $230 000. Маск объяснил, что стоимость каждой тонны, выводимой на орбиту и доставляемой на поверхность Марса, для нынешних ракет-носителей слишком велика (на несколько порядков). Вот почему так важно по максимуму перенести всю излишнюю массу и сложности с ускорителя на наземную инфраструктуру.
Super Heavy
Маск отметил, что сухая масса Super Heavy должна быть менее 200 тонн, и она является переменным параметром, над которым сейчас активно работают. Вот массовые характеристики некоторых элементов ускорителя:
▪️ Двигатели (вместе с установочным оборудованием) - 2 тонны;
▪️ Топливные баки (метановый и кислородный) - приблизительно 80 тонн;
▪️ Межступенчатый отсек - около 20 тонн (включая четыре решётчатых руля, каждый из которых весит примерно 3 тонны).
Маск отметил, что он рассчитывает сократить массу каждого руля вдвое. Далее он подчеркнул, что в настоящее время абсолютно всё является "слишком тяжёлым", даже авионика, решётчатые рули и аккумуляторы. Сейчас рули приводятся в действие модифицированными электро-двигателями Tesla Model 3. Продолжая использовать детали Tesla, предпочтение в оптимизации отдаётся энергопотреблению, а не вырабатываемой мощности, поскольку для автомобиля требуются часы работы, в то время как решётчатым рулям необходимо всего 2-3 минуты. Именно поэтому, батареи, как и многое другое в Starship, по словам Маска, - это лишь временное решение, и их масса в будущем может быть сокращена в ~10 раз.
Ускоритель вмещает в себя 3 600 тонн топлива, ~78% которого составляет жидкий кислород. Raptor работает при соотношении топливных компонентов в смеси от 3,5 до 3,7, что делает её обогащённее и холоднее, чем при стехиометрическом соотношении (ред. - когда количество окислителя ограничивается минимумом, необходимым для полного окисления горючего), при котором они могли бы расплавить двигатель. Остатки топлива Super Heavy (количество топлива, которое нельзя использовать без риска повреждения) составляют порядка 20 тонн, что значительно выше, чем остаточное количество топлива в Falcon 9 (1 тонна). С оптимизацией конструкции конечная сухая масса Super Heavy должна составлять от 160 до 200 тонн.
Маск также отметил, что решётчатые рули на Super Heavy не складываются, как на Falcon 9, поскольку это позволяет исключить лишний механизм управления, добавляющий ненужную сложность, массу и возможную точку отказа. Кроме того, увеличенное лобовое сопротивление при раскрытых решётчатых рулях во время подъёма лишь незначительно выше, учитывая, что они не находятся под большим углом атаки.
Инженерная философия
Маск рассказал о своём видении процесса разработки, который должен состоять из следующих этапов в нижеизложенном порядке:
1️⃣ Сделать требования менее глупыми
Многие требования определённо глупы; неважно, от кого они исходят. Особенно опасно, если требования выдвигает кто-то смышлённый, так как их почти не подвергают сомнению.
Также он отметил, что "...все разработки неправильны, и вопрос лишь в том, насколько они неправильны".
2️⃣ Постараться избавиться от ненужных деталей и процессов
Если хотя бы в 10% случаев в конечном итоге они не возвращаются обратно в проект, значит - удаляется недостаточно деталей. Маск отметил, что наблюдается тенденция к очень сильной предвзятости, в духе "давайте добавим эту часть или этап процесса на случай, если он нам понадобится". Кроме того, запросы о каждой требуемой части и процессе должны исходить от конкретного человека, а не от отдела, так как отдел нельзя спросить о том, почему существует такое требование, а человека можно.
3️⃣ Упростить и оптимизировать промышленный дизайн
На этом шаге всплывают наиболее распространённые ошибки умных инженеров, которые пытаются оптимизировать что-то, чего просто не должно существовать.
4️⃣ Увеличить скорость работы
"Вы двигаетесь слишком медленно, нужно быстрее! Но не нужно спешить, если вы пока не проработали до конца три предыдущих пункта".
5️⃣ Автоматизация
Важной частью этого пункта является удаление этапа тестирования после того, как проблемы были диагностированы. Если скорость, с которой продукт завершает свой производственный цикл - высока, нет необходимости включать испытания в процесс производства.
Кроме того, Маск повторил, что, по его мнению, каждый должен быть "главным инженером". Инженеры должны понимать всю систему на высоком уровне, чтобы понять, когда они имеют дело с плохой оптимизацией рабочих процессов. Например, Маск отметил, что на уменьшение массы двигателя было потрачено на порядок больше времени, чем на уменьшение остаточного топлива, несмотря на то, что оба эти параметра одинаково важны.
Raptor 2
Маск отметил, что SpaceX изготовили некоторые части второй версии двигателя Raptor, получившей название Raptor 2, включая узел основной камеры сгорания. Завершилось проектирование турбонасосов и ожидается, что первый Raptor 2 будет готов к испытаниям к концу августа.
Raptor 2 будет развивать тягу в 230 тонн при давлении в основной камере сгорания в ~298 бар. Raptor 2 отличается увеличенным критическим сечением сопла, что уменьшает отношение площадей сечения. Это вызывает уменьшение удельного импульса примерно на 3 секунды, но значительно увеличивает тягу. Несмотря на более низкий удельным импульс, это делает двигатели ускорителя более эффективными из-за уменьшения гравитационных потерь.
Также Илон заявил, что SpaceX перенесут массовое производство Raptor в МакГрегор, но завод в Хоторне всё так же продолжит заниматься разработкой двигателей и производством Raptor Vac.
Система разделения ступеней
Следуя озвученной инженерной философии Маска, SpaceX решили избавиться от системы разделения ступеней Starship, и взамен - полагаться на сохранение вращающего момента при отделении ускорителя. Перед отключением основных двигателей (MECO) центральные отклонят вектор тяги, что вызовет вращение ускорителя. Затем фиксаторы между Starship и Super Heavy откроются, в результате чего корабль и ступень должны отдалиться друг от друга. Процесс аналогичен тому, как происходит развёртывание спутников Starlink. Это одновременно помогает развернуть ускоритель для последующего запуска двигателей, с которого начинается манёвр возвращения на "посадочную площадку".
В дополнение к этому, SpaceX решили избавиться от двигателей на горячем газу в системе управления ориентацией Super Heavy. В качестве замены SpaceX будут использовать газ для наддува баков и четыре клапана, равнораспределённых по окружности корпуса. Подача газа через эти клапаны обеспечит контроль положения ускорителя во время разворота, и главное преимущество в том, что для этого используется и без того необходимый газ, и нет надобности в добавлении чего-то нового.
HLS (лунный лендер)
Маск выразил оптимизм в отношении того, что Starship Lunar могут не понадобиться дополнительные двигатели на корпусе корабля для посадки. Если SpaceX смогут продемонстрировать, что посадка на Луну с использованием двигателя Raptor не вызовет образование слишком огромной дыры в лунном реголите, они смогут избавиться от дополнительных двигателей Starship Lunar. Хотя точная конфигурация Raptor для лунной версии Starship пока не утверждена, вполне вероятно, что она будет такой же, как и для обычного Starship (т.е. с тремя атмосферными двигателями и тремя вакуумными).