Firma SpaceX przeprowadziła drugą próbę lotu orbitalnego potężnej rakiety Starship. W locie udało się przetestować wiele krytycznych rzeczy, ale nie wszystkie cele misji zostały zrealizowane.
Rakieta Starship firmy SpaceX wykonała 18 listopada 2023 r. drugi próbny lot. Start odbył się z ośrodka testowego firmy w Boca Chica w Teksasie. Choć tym razem udało się wykonać więcej elementów planu testu niż poprzednio w kwietniu 2023 r., to jednak znów nie osiągnięto planowanego lotu suborbitalnego i próba zakończyła się wybuchem po 8 minutach od startu.
Kluczowym krokiem, by zrealizować ambitne plany SpaceX dotyczące nowej rakiety jest wykonanie w pełni udanego lotu całego systemu. Teraz jeszcze się to nie udało, ale firma przygotowuje już kolejne egzemplarze rakiet, by wkrótce wykonać kolejne próby. W tym artykule podsumowujemy program testów Starshipa, opisujemy przebieg misji i podajemy co w ostatnim teście jest sukcesem, a co porażką.
Starship - wielka rakieta i wielkie nadzieje
Starship, znana wcześniej jako Super Heavy - Starship to największa pod względem rozmiarów i najmocniejsza pod względem generowanego ciągu rakieta nośna w historii. Ma ona uczynić loty kosmiczne bardziej dostępnymi, a w dalekiej przyszłości wizja firmy SpaceX obejmuje wykorzystanie tej architektury do budowy załogowej bazy na Marsie.
Zanim realnie będzie można jednak mówić o takich planach, rakieta musi zademonstrować swoje możliwości w misjach testowych. Agencja NASA przyznała w 2021 r. firmie SpaceX kontrakty na budowę załogowego lądownika księżycowego dla misji Artemis III i Artemis IV. Lądownik ma być zmodyfikowanym górnym stopniem rakiety Starship.
Projekt rakiety prezentowany był od 2016 r. oraz przeszedł wiele zmian. W obecnej formie Starship to dwustopniowy system o wysokości 121 m i średnicy 9 m oraz masie 5000 t. Struktura rakiety wykorzystuje stal nierdzewną. Dolny człon Super Heavy wyposażony jest w 33 silniki Raptor 2 zasilane ciekłym metanem i ciekłym tlenem. Górny stopień Starship ma 6 silników Raptor - 3 dostosowane do pracy w próżni i 3 podobne do tych stosowanych w dolnym stopniu. Rakieta ma dysponować udźwigiem do 150 t na niską orbitę okołoziemską.
Rakieta SuperHeavy-Starship na stanowisku startowym kilka dni przed planowanym testem. Źródło: SpaceX.
Od 2019 r. testowane są prototypy systemu. Zaczęto od niewielkiego Starhoppera, który wzniósł się na 150 m. W 2020 r. znacznie większe prototypy górnego stopnia SN5 i SN6 powtórzyły ten sukces. Kolejna faza testów obejmowała loty na większą wysokość, ponad 10 km. Loty miały też przypominać rzeczywiste przyszłe misje. Rakieta po wykonanej pracy ma wykonywać kontrolowany obrót, poziome opadanie i hamowanie w atmosferze, a potem obrót do pionowej pozycji i lądowanie przy pomocy silników. Pierwszy taki lot ze statkiem Starship SN8 odbył się w grudniu 2020 r. Udało się wznoszenie na wysokość 12 km i powrót na Ziemię, ale rakiecie nie udało się wylądować.
Kolejne prototypy były testowane w 2021 r. Starship SN9 powtórzył los poprzednika, Starship SN10 tak samo. Kolejny prototyp Starship SN11 nie dotarł nawet do fazy lądowania bo wybuchł w powietrzu podczas zniżania. W maju 2021 r. udało się wreszcie osiągnąć w pełni udany lot. Rakieta Starship SN15 wystartowała, osiągnęła pułap 10 km, wróciła na Ziemię i miękko wylądowała. Przyszedł wtedy czas na kolejną fazę testów, z udziałem potężniejszego dolnego stopnia rakiety…
Na początku skupiano się na statycznych testach: tankowania, później uruchomienia silników w dolnym stopniu. Dopiero w lutym 2023 r. udało się z powodzeniem dokonać statycznego testu uruchomienia wszystkich 33 silników. Testy dolnego stopnia i prowadzone w tamtym czasie również testy kolejnego egzemplarza górnego stopnia doprowadziły ostatecznie do pierwszej próby orbitalnej.
20 kwietnia 2023 r. wykonano pierwszy start całego zestawu Super Heavy - Starship. Już przy starcie pojawiły się problemy. Wyciek metanu z instalacji sekcji silnikowej dolnego stopnia doprowadził do pożarów. Nie uruchomiły się też wszystkie silniki. To spowodowało, że rakieta wznosiła się znacznie wolniej niż zakładano, a pożary ostatecznie wyłączyły z działania kolejne silniki. Ostatecznie rakieta nie była w stanie kontrolować stabilnego lotu i jeszcze przed planowanym odłączeniem dolnego stopnia zestaw zboczył z planowanej trajektorii i został zdalnie zniszczony.
Zmiany przed drugą próbą
Przed drugą próbą dokonano wielu zmian zarówno w rakiecie jak i infrastrukturze platformy startowej. Istotne ulepszenia dotyczyły wyrzutni. Po pierwszej próbie znacznym uszkodzeniom uległo miejsce startu. Odbudowano platformę od samych fundamentów, wzmocniono jej elementy, a samą płytę, na którą działa wyrzut silników wzbogacono o system odchylania wyrzutu za pomocą wody wyrzucanej pod bardzo wysokim ciśnieniem.
Usprawniono też samą rakietę. By uodpornić ją na problemy, które wyniknęły w pierwszym starcie poprawiono jej zdolność do odprowadzania ulatniającego się metanu. SpaceX stale poprawia też silniki Raptor napędzające rakietę. Powiększono też ładunki wybuchowe systemu zdalnego przerwania lotu FTS. Okazało się bowiem przy poprzedniej próbie, że ładunki na rakiecie nie były wystarczające by skutecznie rozdrobnić rakietę w powietrzu w momencie awarii.
Nowością w sposobie lotu rakiety jest też technika oddzielenia się stopni. SpaceX zdecydował, by wykonywać tzw. hot staging. To znaczy, że rakieta odłącza dolny stopień dopiero po uruchomieniu górnego stopnia i jeszcze jak pracuje część silników w dolnym stopniu. Takie zmiany wymusiły zbudowanie specjalnej sekcji międzystopniowej, tak by wyrzut z silników górnego stopnia nie spowodował eksplozji w dolnym członie rakiety. Te niewątpliwe trudności sprawiają jednak, że udźwig rakiety zwiększa się (wg Elona Muska o około 10%).
Przebieg lotu
Okno startowe do lotu trwało w sobotę jedynie 20 minut. Przygotowania do startu przebiegały jednak bardzo sprawnie. Rakieta została zatankowana i podczas odliczania nie było większych problemów. 33 silniki Raptor 2 w dolnym stopniu rakiety zostały uruchomione o 14.03 czasu polskiego. Chwilę po tym rakieta wzbiła się w powietrze, wznosząc się znacznie sprawniej niż przy poprzedniej próbie.
Pierwsza faza lotu przebiegała pomyślnie. Przez cały czas kiedy rakietę rozpędzał dolny stopień wszystkie 33 silniki Raptor 2 pracowały prawidłowo. Nieco ponad minutę po starcie rakieta przeszła przez moment największych przeciążeń aerodynamicznych.
Nadszedł czas na kulminacyjny moment oddzielenia się dolnego stopnia od górnego. Po raz pierwszy miał zostać wykonany hot staging. 2 minuty i 45 sekund po starcie wyłączono 30 silników w dolnym stopniu, pozostawiając działające jedynie trzy środkowe. W tym samym czasie uruchomionych zostało 6 silników na górnym stopniu, który odłączył się wtedy od dolnego. Wizualnie wyglądało, że również ten etap lotu przebiegł zgodnie z planem.
Dolny stopień użył trzech nadal włączonych silników, by wykonać obrót. Potem zaczęły być uruchamiane pozostałe silniki w celu wykonania tzw. manewru boostback, który ma za zadanie zmniejszyć poziomą prędkość rakiety i skierować ją na powrót i w tym przypadku wodowanie w Zatoce Meksykańskiej.
W trakcie ponownego uruchamiania silników doszło jednak do awarii. Na filmie widać, że restart silników się nie powiódł i chwilę po tym cały człon eksplodował w górnych warstwach atmosfery.
Górny stopień Starship kontynuował natomiast podróż. 6 silników Raptor 2 działało prawidłowo aż do 8 minut po starcie. Około 30 sekund przed planowanym zakończeniem pracy górnego stopnia doszło do eksplozji, która zniszczyła rakietę. Starship osiągnął prędkość 6,7 km/s oraz wysokość prawie 150 km.
Podsumowanie
Czy test rakiety Starship można uznać za udany? Według SpaceX jak najbardziej. Podsumujmy zatem co udało się, a co nie w tej próbie?
Dobre strony
Niezawodność silników Raptor w obu stopniach - po raz pierwszy wszystkie silniki Raptor w dolnym członie działały razem w trakcie całego lotu w górę. To w ogóle pierwszy raz w historii kiedy tak dużo silników rakietowych działa w jednym stopniu. Po raz pierwszy udało się osiągnąć stabilny ciąg ponad 7000 t za pomocą pojedynczej rakiety. To na pewno wielki sukces, zważywszy że nawet próby naziemne do tej pory nigdy nie kończyły się pełnym powodzeniem.
Udany lot dolnego stopnia - stabilny lot pierwszego stopnia rakiety to również wielki sukces. Trzeba wziąć pod uwagę bardzo skomplikowaną dynamikę lotu systemu tak dużego i o tak dużym generowanym ciągu. Oprócz bardzo dobrego działania silników rakietowych inżynierowie na pewno cieszą się też z bezbłędnej pracy systemu kontroli lotu. W kwietniowej próbie rakieta używała siłowników hydraulicznych do sterowania wektorem ciągu. Tym razem zmieniono je na siłowniki zasilane silnikami elektrycznymi. Te zdały egzamin.
Udany hot staging - jak przyznawał Elon Musk, hot staging to najbardziej ryzykowny element testu. Całkowicie nowa rzecz do tej pory nie wykonywana w amerykańskich konstrukcjach rakiet. Z relacji wideo można przypuszczać, że manewr się udał. Nie doszło do eksplozji rakiety podczas jego wykonywania. Nie jesteśmy jednak pewni czy separacja nie spowodowała pewnych uszkodzeń, które wpłynęły na wybuch dolnego stopnia później.
Długi lot drugiego stopnia - poprzednio rakieta eksplodowała zanim drugi stopień odłączył się by kontynuować lot. Tym razem górny człon nie tylko się odłączył, ale zapalił wszystkie silniki, które działały przez ponad 5 minut.
Brak widocznych dużych uszkodzeń wyrzutni - przeprowadzone zmiany na wyrzutni startowej sprawiły, że niepotrzebne będą duże remonty. To kluczowe jeśli rakieta Starship ma być tania, a jej loty przeprowadzane często.
Złe strony
Wybuch dolnego stopnia, krótko po odłączeniu - planowo dolny stopień miał powrócić na Ziemię i w tym teście miękko wodować w Zatoce Meksykańskiej. Nie doszło niestety do fazy testu powrotu tak dużego członu rakietowego, bo ten rozpadł się krótko po odłączeniu. Na relacji ze startu widać jak po odłączeniu ponownie uruchamiane są silniki w stopniu, by wykonać tzw. boostback burn. Niestety wyraźnie widać, że nie wszystkie z silników udaje się włączyć i krótko po tym dochodzi do eksplozji. Przyczyn może być wiele, na przykład: uszkodzenia wywołane manewrem hot stage czy manewr odwracania stopnia, który spowodował fluktuacje w paliwie, a to z kolei doprowadziło do krytycznego uszkodzenia silników.
Wybuch górnego stopnia w końcowej fazie rozpędzania - górny stopień również eksplodował. Podczas relacji na żywo powiedziano, że to automatyczny system przerwania lotu zdetonował rakietę. Nie wiemy jeszcze z jakiego powodu. Było jednak blisko, by stopień osiągnął zakładaną prędkość. Gdyby tak się stało to przetestowany by został też krytyczny manewr powrotu rakiety, z wejściem w atmosferę i hamowaniem w locie poziomym, a następnie obrotem do pionu i próbą miękkiego wodowania na północ od Hawajów.
Odpadające płytki termiczne - podczas lotu dało się zauważyć odpadające elementy osłony termicznej, która ma chronić statek podczas wejścia w atmosferę i powrocie na Ziemię. Płytki spadały też przy poprzednim starcie. Tu można oszacować wstępnie, że tych uszkodzeń było mniej, jednak nawet utrata jednej takiej płytki może mieć konsekwencje utracenia całej misji.
Teraz będzie miała miejsce analiza przyczyn awarii. Śledztwo będzie nadzorowane przez FAA. SpaceX będzie musiało wykazać listę koniecznych do zrealizowania akcji naprawczych, aby dostać zgodę na kolejną próbę. W międzyczasie do testów będą przygotowywane następne egzemplarze rakiet budowane w ośrodku Boca Chica. Być może na kolejny test nie będziemy musieli czekać aż 8 miesięcy. Dobry stan wyrzutni startowej oraz osiągnięcie dużej ilości kamieni milowych w tym teście powinno pomóc w szybszym powrocie.
Na podstawie: SpaceX/NSF/ArsTechnica
Opracowanie: Rafał Grabiański
Na zdjęciu: Rakieta Starship startująca w próbnym locie OFT-2. Źródło: SpaceX.
