Супертяжелая частично-многоразовая ракета-носитель Falcon Heavy – реальность или миф

Казалось бы, что за странный вопрос ? На начало 2024 года ракета-носитель (РН) Falcon Heavy совершила уже девять (!) успешных полетов, в том числе, отправила за орбиту Марса электромобиль Tesla, принадлежавший Илону Маску. Какие могут быть сомнения в ее существовании ?

Естественно, никаких. РН Falcon Heavy существует и успешно выводит на орбиту полезную нагрузку (ПН). Однако, есть несколько «но»...

Старт ракеты-носителя Falcon Heavy, запечатленный на фоне Луны

Миф первый.

Точнее сказать, это даже не миф, а некая подмена понятий. По американской классификации,  «сверхтяжелыми» считаются ракеты-носители, способные выводить на низкую околоземную орбиту (НОО) полезную нагрузку (ПН) массой более 50 тонн. Просто «тяжелые» доставляют на орбиту от 20 до 50 тонн. 

Отправляемся на сайт компании SpaceX или в Википедию, и видим, что в этих источниках декларируется способность РН Falcon Heavy выводить на НОО целых 64 тонны. Правда, с оговоркой, что это достигается при использовании в расходуемом, то бишь, одноразовом варианте. При возврате ступеней, цифра становится гораздо скромнее: всего лишь 30 тонн. Пока примем эти данные на веру и будем исходить именно из них.

Что же у нас получается, если отталкиваться от характеристик ракеты, заявленных самой компанией SpaceX? А вот что. При использовании в одноразовом варианте, Falcon Heavy, действительно, может претендовать на звание «сверхтяжа». А вот при полете с возвратом ступеней – это носитель «тяжелого» класса, который скорее ближе к «средним» ракетам, чем к «сверхтяжелым».

Таким образом, РН Falcon Heavy – это либо одноразовый «сверхтяж», либо частично-многоразовый «тяж». А вот так, чтобы сразу и «сверхтяжелый» и «частично-многоразовый» - это миф.

Миф второй.

А способен ли Falcon Heavy, в принципе, вывести заявленную полезную нагрузку ? Вернемся к официальным цифрам. Если верить им, то, как мы помним, полезная нагрузка составляет 64 тонны в одноразовом варианте и 30 тонн в многоразовом. Ничего не кажется странным ? Не режет взгляд ? Лично мне, очень даже режет !

У ракеты Falcon Heavy есть «младший брат»: РН Falcon 9. Обе ракеты состоят практически из одних и тех же модулей, с той лишь разницей, что Falcon 9 включает в себя всего лишь один блок 1-й ступени, а у Falcon Heavy таких блоков целых три, соединенных параллельно. 

Но каковы же характеристики  Falcon 9 ?  22,8 тонны ПН на низкую орбиту в одноразовом варианте и 17,4 тонны при возврате 1-й ступени. Разница между одноразовым и многоразовым вариантом выведения есть, но она относительно невелика. За многоразовость приходится «заплатить» уменьшением массы полезной нагрузки примерно на одну четверть. Совсем иначе обстоит дело с Falcon Heavy. Тут многоразовость почему-то «съедает» более половины массы ПН, оставляя лишь 30 из 64 тонн. По идее, должно было бы быть 48 и 64 тонны.

Стоит отметить тот факт, что данные для Falcon 9 являются не просто какими-то расчетными, это реальные цифры, полученные в ходе реальной эксплуатации ракеты. В отличие от данных для Falcon Heavy. Дело в том, что несмотря на состоявшиеся уже девять запусков, эта ракета-носитель пока даже близко не продемонстрировала заявленные для нее возможности, выводя во всех своих полетах на орбиту довольно скромные массы полезной нагрузки.

Это был самый первый момент, который меня удивил и озадачил. И я решил присмотреться к Falcon Heavy немного повнимательнее, но не погружаясь в вычисления слишком глубоко.

И тут меня снова ожидал сюрприз ! Полезная нагрузка  Falcon Heavy в одноразовом варианте составляет почти 64 тонны (63,8 т, если быть совсем точным). Это практически в 3 раза больше, чем у Falcon 9. Как этого можно добиться, используя, словно кубики, набор однотипных элементов ? Ответ напрашивается сам собой: взять 3 первых ступени и добавить к ним 3 вторых. Но у Falcon Heavy всё ограничилось лишь тремя разгонными блоками 1-й ступени, а вторая ступень была позаимствована у Falcon 9 без каких-либо заметных изменений. А это означает, что приращение скорости, обеспечиваемое этой ступенью, будет весьма невелико, учитывая почти трехкратное увеличение массы полезной нагрузки.

Всё сказанное выше заставило меня взяться за калькулятор и попытаться оценить возможности этого «сверхтяжа» уже не «на пальцах», а хотя бы в рамках формулы Циолковского. Сразу оговорюсь, что не назову какой-либо конкретной грузоподъемности ракеты Falcon Heavy. Потому как, несмотря на кажущуюся простоту расчета, есть целый ряд нюансов. 

Например, такой. Удельный импульс двигателей 1-й ступени составляет 282 секунды на уровне моря и 311 секунд в вакууме. Какую из этих величин использовать в расчетах ? В данном случае, я, не мудрствуя лукаво, взял среднее значение, хотя прекрасно понимал, что это является некоторым допущением, влияющим на точность расчетов. И подобных допущений пришлось сделать несколько. Не утомляя читателя долгим их перечислением и объяснениями, почему я использовал именно то, а не другое число, сразу скажу, что проведенные расчеты указывают на то, что масса полезной нагрузки, выводимой Falcon Heavy на низкую орбиту, лежит в пределах 40-48 тонн.

Сразу оговорюсь, что расчеты были сделаны для двухступенчатой ракеты, а схема выведения Falcon Heavy такова, что у нее, как бы, появляется небольшая промежуточная ступень между обычными первой и второй, поскольку центральный блок продолжает работать несколько дольше, чем боковые. Но до полноценной ступени это ухищрение не дотягивает, так как, объем топливных баков, а также количество и характеристики двигателей и центрального и боковых блоков идентичны.  Именно поэтому, та же Википедия для этой РН указывает количество ступеней как «2+», а не «3», как, допустим, у ракеты-носителя «Союз».

Это дополнительная «полуступень» появляется исключительно благодаря тому, что на начальном этапе полета двигатели центрального блока работают не в полную мощность, а, значит, потребляют несколько меньше топлива, чем двигатели «боковушек». Таким образом, когда в боковых блоках топливо уже заканчивается, в центральной секции еще остается некоторый его запас. В этот момент боковые блоки отделяются, и ракета на недолгое время «превращается» в обычный Falcon 9.

Эта уловка несколько повышает энергетические возможности ракеты, но не очень сильно, поскольку экономия топлива в центральном блоке, достигающаяся за счет дросселирования двигателей, напротив, эти возможности ухудшает. В конечном итоге, выигрыш, безусловно, есть, но небольшой. По моим приблизительным оценкам, это может добавить 2-3 тонны к массе выводимой ПН. Что, впрочем, всё равно очень далеко от заявленных 64 тонн.

Безусловно, это всё лишь косвенные факты, не позволяющие с абсолютной уверенностью утверждать, что ракета-носитель Falcon Heavy не способна вывести на орбиту 64 тонны. Лучшим критерием истины является практика. Возможно, компания SpaceX сумеет опровергнуть мои расчеты и, наконец-то, запустит на орбиту что-нибудь реально весомое. Однако пока сомнения остаются...