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 хэфик 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.

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.

Масса топливаМасса конструкцииПолная масса ступениКонструктивное совершенствоОтношение пустой к полной107,54111,526,8827.88
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:

Очень хорошо согласуется с приведенными ранее данными. Попробуем их с чем нибудь сравнить. Проблема в том, что керосиновых РН в одном классе с фалконом не много и все они представлены семейством Зенит, шедевром технологий 80х.

Идем на тот же полезный сайт за данными Зенита 3SL и выписываем табличку:

Масса топливаМасса конструкцииПолная масса ступениКонструктивное совершенствоОтношение пустой к полной81,748,3190,049,8410,84
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.Масса топливаМасса конструкцииПолная масса ступениКонструктивное совершенствоОтношение пустой к полной101,2110,29111,59,8410,84
Данная ступень разгоняет 8 тонн на:

…6,4387 км/с. Увы, до ГПО не долетит. Постараемся поставить вопрос по другому — а какую массу она сможет доставить на ГПО? Несколько муторные вычисления показывают, что скорость, равная фалконовой 7,77 км/с достигается при нагрузке… 1.43 тонны. Эту величину можно проверить:

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.