Почему Falcon 9FT является шедевром

Несмотря на оглушительный успех F9 на коммерческом рынке, находятся альтернативно одаренные граждане, которые заявляют, что он создан на технологиях 60-х годов. Я попытаюсь показать, с помощью открытых данных и простой математики, что это совершенно гигантское заблуждение.

С одной стороны трудно возразить, что штыревой инжектор (pintle), обеспечивающий стабильную работу Мерлинов в широком диапазоне, был разработан известной компанией TRW (из которой сбежал Томас Мюллер, прихватит все технологии в чемодане) в рамках лунной программы. С другой стороны можно заметить, что принципы большинства остальных инжекторов были разработаны на 10 лет раньше. Проблема в том, что ракета является сложной системой, эффективность которой нужно оценить целиком. И глядя на эту оценку, можно оценить технологический уровень, который дал тот или иной результат. Сформулируем строже - только анализ результата позволяет оценить технологический уровень.

Falcon 9 представляет собой двухступенчатую ракету (про Falcon Heavy пока не будем). В первую очередь нам нужно разобраться, какую роль играют эти ступени. Тут нам поможет трансляция запуска спутника Intelsat 35e, где не было посадки первой ступени и она отработала в максимальном режиме. Первая ступень отключила двигатель при скорости 2.3 км/с. Вторая ступень вывела спутник на ГПО. Скорость выхода на ГПО приблизительно 10,33 км/с ( 7.8 — 1ая космическая + 2,53 перехода). Здесь не учитываются аэродинамические и гравитационные потери, поскольку почти все они достались первой ступени. И так — первая ступень разогнала на 2.3, вторая на 7,73. Очевидно, вторая ступень значительно более важна, а первую принято презрительно называть «booster», ведь ее цель — поднять вторую степень повыше, где включится вакуумный двигатель и проделает всю работу. Потому далее мы вообще не будем рассматривать первую ступень, а сосредоточим все наше внимание на второй ступени Falcon 9.

Чем еще интересная вторая ступень? Каждый бездарно сожранный килограмм второй ступени является потерянным килограммом нагрузки. Потому вторые ступени являются подлинными шедеврами весового проектирования и прекрасно показывают технологический уровень.

Пойдем на очень полезный сайт и выпишем весовые характеристики в табличку. Соотношение массы конструкции к массе топлива называют коэффициентом конструктивного совершенства. 

Коэффициент конструктивного совершенства в 26 является подлинной фантастикой!

Но чтобы оценить эту фантастичность, нам придется проделать некоторые вычисления. Для удобства дальнейших расчетов запомним коэффициент соотношения полной массы ступени к пустой.

Попробуем понять, не дурят ли нас с этой фантастикой. Возьмем с сайта производителя максимальный вес нагрузки в 8 тонн и посмотрим насколько вторая ступень сможет его разогнать. Воспользуемся формулой Циолковского с удельным импульсом 345с:

Как видим, коэффициент конструктивного совершенства значительно ниже. Но ведь мы все помним, что у Зенита УИ 350с, а нам говорили что 5 секунд это много! Забудем про рулевые двигатели Зенита и попробуем подсчитать по той же формуле скорость для 8 тонн нагрузки. У меня получилось 6.15 км/с. Конечно, сравнение не совсем честное, ведь ступень фалкона больше и требует больших затрат на вывод первой ступень. Ну потому, встречайте новую ракету Фалконит, вторая ступень которой имеет ту же полную массу 111.5 тонн и коэффициент от Зенита 9.84, УИ 350 с. Поделив полную массу на 10.84 найдем массу пустой РН.


Сравнение цифр 8 и 1.43 ставит жирную точку в вопросах «технологий из 60-х». Конечно, Зенит может выводить достойные нагрузки, но для этого ему приходится использовать третью ступень, которая по советской традиции называется разгонным блоком (американцы всегда называют это upper stage и учитывают как ступень ракеты. это наглядно видно в семействе минотавр). Именно поэтому вторая ступень Зенита меньше, ведь ей приходится на горбу тащить еще и массу разгонного блока, который является дорогой и сложной конструкцией, сбои в его работе являются неиссякаемым источником лулзов последние 10 лет. Не зря в флайтмануале фалкона написано, что меньшее число ступеней значительно повышает надежность. 

Именно высочайшая весовая культура дала возможность создать двухступенчатый керосиновый носитель (т.е. отказаться от водорода, привет Атлас-5), который перекрывает все имеющиеся ниши среднего и тяжелого носителя. И для этого вовсе не нужен двигатель замкнутого цикла и выжимание последних секунд удельного импульса.