В начале октября SpaceX выложила новые кадры четырнадцатого полёта Starship — того, где ракета впервые вышла на устойчивую орбиту и развернула двадцать шесть спутников Starlink нового поколения. Среди кадров был момент, который в прямой трансляции длится секунды и обычно проскакивает мимо глаза: бустер отваливается от корабля в облаке собственного огня. Верхняя ступень зажигает двигатели, пока ещё физически пристёгнута к нижней, и струя сама расшвыривает ступени в стороны.
Приём называется горячим разделением ступеней, по-английски hot staging. Я пошёл проверять, откуда он взялся, — ждал либо ноу-хау последних лет, либо давнюю норму вроде орбитальной дозаправки. Вышло иначе. Приёму больше шестидесяти лет, придумали его в СССР для ракеты, которая и сегодня возит экипажи на МКС, а самая крупная машина в истории человечества приняла его только в 2023 году — ради того, чтобы не терять часть полезной нагрузки.
Дальше нужно короткое отступление, без которого не понять, о чём спор.
Ракета редко бывает одноступенчатой, и вовсе не из конструкторской скромности. Скорость, которую сообщает двигатель, зависит от отношения начальной массы к конечной по логарифму — значит, поднимать на орбиту пустые баки и мёртвые двигатели стоит чудовищно дорого. Ступень выбрасывают ровно в тот момент, когда её топливо кончилось, чтобы дальше не тащить мёртвый металл. Между моментом, когда глохнут двигатели нижней ступени, и моментом, когда зажигаются двигатели верхней, у любой ракеты есть пауза в несколько секунд.
Физика этой паузы беспощадна в своей простоте. Пока ракета не набрала скорость, близкую к орбитальной, гравитация тянет её вниз, и двигатели обязаны тратить топливо только на то, чтобы не упасть, — эту переплату называют гравитационными потерями. За секунды молчания ракета теряет скорость, которую потом нужно снова набирать уже израсходованным запасом. У ракеты, которая разделяется вскоре после старта, ещё на крутом, почти вертикальном участке подъёма, эта потеря максимальна.
Есть и второй, менее очевидный повод не молчать. В невесомости жидкое топливо отплывает от стенок бака и не покрывает выходы, ведущие к насосам; если насос схватит газ, двигатель срывается или разрушается. Перед повторным запуском топливо надо «осадить» — мягко толкнуть ракету вперёд, чтобы жидкость снова собралась внизу. Обычно для этого ставят маленькие твёрдотопливные двигатели осадки: отдельное железо, своя масса, свои отказы. Горячее разделение убирает и паузу, и это железо одним движением — тяга верхней ступени сама и толкает, и осаживает.
Классическая схема расставания осторожна, как хороший развод через юриста. Нижняя ступень глохнет, кольцо пиротехники с миллисекундной точностью перерезает соединение, пружины или толкатели разводят корпуса, верхняя ступень дрейфует на безопасное расстояние и только потом зажигается. Горячее разделение делает наоборот: верхние двигатели запускаются первыми, прямо в лицо нижней ступени, а её выбрасывает наружу этим же огненным пинком.
Тут важно, куда девается струя. Выхлоп нескольких двигателей, направленный в замкнутый отсек между ступенями, разнёс бы корпус за доли секунды. Поэтому межступенчатая секция — интерстейдж — делается открытой: у советских ракет это решётчатая ферма, сквозь которую пламя проходит насквозь, у Titan II — кольцо из шестнадцати выпускных портов, сгруппированных по четыре в четырёх квадрантах. Из-за этих портов у ракеты на стартовых снимках словно отсутствует кусок фюзеляжа.
Выигрыш горячего разделения не только в секундах. Верхняя ступень всё время ускоряется, значит, работает закон Ньютона в обе стороны: струя бьёт по нижней ступени и толкает её прочь, а та отвечает равным толчком — и этот толчок бесплатно подкидывает саму верхнюю ступень. Стартовый рывок не приходится оплачивать из основного запаса. По той же логике горячий вариант отлично ложится на возвращаемые бустеры: пинок сам начинает кувырок ступени, разворачивая её для обратного полёта к площадке.
По эту сторону Атлантики приём долго оставался исключением и никогда не становился нормой. Единственный регулярный американский след — Titan II, межконтинентальная ракета, которую NASA взяла для программы Gemini и запустила двенадцать раз между 1964 и 1966 годами. В ней всё подчинили простоте: ракета стояла заправленной прямо в шахте на хранимом самовоспламеняющемся топливе, без отдельного железа для разведения ступеней. Двигатель второй ступени конструкторы намеренно заставили гореть, пока ступени ещё соединены.
Отсюда и странность на стартовых фото Gemini: дырки в корпусе первой ступени. Это те самые выпускные порты, без которых газ из второй ступени разорвал бы замкнутый интервал изнутри. Затухающая, но ещё живая тяга нижней ступени загоняла топливо в линии подачи, порты выпускали избыток газа, а потом пироболты отпускали ступень — и она уходила вниз. В корпусе сверкала аккуратная решётка отверстий там, где любой другой ракете полагался бы глухой металл.
Немного особняком стоит Apollo 5. Это был беспилотный полёт лунного модуля, и в его программе имелся тест под названием fire-in-the-hole — «огонь в люк». Название пришло из шахтёрского жаргона: так предупреждали товарищей перед взрывом заряда. Суть испытания ровно та же, что у горячего разделения, только на минимальной дистанции: выключить спускаемый двигатель, взорвать болты, соединяющие спускаемую и подъёмную ступени, переключить управление и зажечь подъёмный двигатель, пока тот ещё сидит внутри посадочной ступени. Так проверяли, сработает ли аварийный уход при отказе на посадке.
Если генеалогию горячего разделения вести по датам, корни у него не американские и не свежие. Советская верхняя ступень зажигалась, пока нижняя ещё держалась, с самого начала — уже у «Востока», который вывел на орбиту Гагарина. Анатолий Зак, чей сайт RussianSpaceWeb остаётся, пожалуй, самым подробным сторонним источником по советской ракете, описывает это прямо: открытая решётчатая структура между второй и третьей ступенью «Союза» позволяла двигателю третьей ступени начать зажигание до разделения — на 282,2 секунды полёта, — и лишь потом пиротехника перерезала связи. Сегодня это выглядит как стандарт: решётчатые фермы на «Союзе» узнаются с любой фотографии.
Ещё нагляднее с «Протоном». Первая и вторая ступени соединены не замкнутым интерстейджем, а самой настоящей сеткой, сквозь которую прогорает выхлоп. Это тоже горячее разделение, и его ценность сформулирована в терминах инженерной экономии: оно избавляет вторую ступень от двигателей осадки. Тот же аргумент повторяется во всех разборах советской школы — меньше деталей, меньше отказов. Логика конструкторов, работавших в стране, где ремонт на орбите стоил жизни, была простая: не ставь лишнее железо, если его работу может сделать уже существующая тяга.
Отдельная ирония в том, что самую мощную высадку этой школы — лунную Н1 — горячее разделение не спасло. Верхние ступени Н1 должны были зажигаться до расстыковки, но ни один из четырёх испытательных пусков не продержался в воздухе достаточно долго, чтобы до этой фазы добраться.
У приёма есть счёт, и он предъявлен металлу. Щит, который закрывает верх нижней ступени, обязан несколько секунд держать залп верхних двигателей почти в упор: жар и акустическая долбёжка. Масса интерстейджа растёт, часть выигрыша уходит обратно. Дизайнер должен ещё выстроить хореографию движения: толчок обязан быть чистым и прямым, потому что кувыркающаяся отработавшая ступень, вернувшаяся на путь верхней, превращает весь трюк в потерянную миссию.
И это тот случай, где посчитать на салфетке не выйдет. Струя от двигателей в тесном интерстейдже Starship бьёт по щиту бустера и растекается вокруг аппарата — среда сложная и на момент полёта плохо изученная. NASA и SpaceX считали горячее разделение на решателе Loci/CHEM: сетки примерно в пятьсот миллионов ячеек, около сорока миллионов часов процессорного времени на суперкомпьютере Pleiades, многие терабайты данных. На высоте разделения давление так мало, что выхлоп разлетается далеко от ракеты и полностью её обволакивает. Данные второго полёта совпали с симуляцией — но понять, что именно видно в кадре, помог именно расчёт.
Вот здесь начинается то, чего в официальных пресс-релизах не пишут. Когда в июне 2023 года Маск объявил о переходе на горячее разделение, он назвал выигрыш «консервативно около десяти процентов» полезной нагрузки. Цифра попала во все заголовки и осталась в них. Вопрос «десять процентов чего и по сравнению с чем» в заголовки не попал.
Сообщество на Space Exploration Stack Exchange раскопало исходную формулировку, и она скользкая: Маск в интервью сам оговорился, что прирост зависит от того, с чем сравнивать. Спорить там стали не из вредности. Опытный пользователь Рассел Борогов сформулировал прямо: строка «горячее разделение могло добавить 10%» одинаково честна и если оно добавило один процент, и если отняло три. Другой участник предложил версию, что десять процентов — выигрыш не против классической схемы, а против изначального плана вообще без механизмов разделения: SpaceX, по этой гипотезе, хотела раскрутить всю связку и центробежной силой сбросить верхнюю ступень, как выбрасывают спутники Starlink, столкнулась с проблемами и приняла горячее разделение как быстрое решение.
Проверить это нечем.
Ни SpaceX, ни Маск не публиковали методику сравнения, а без базы любое «десять процентов» — это число без знаменателя. Остаётся то, что видно: горячее разделение работает, и без всякого точного процента оно стало частью профиля полёта. Педантичная оговорка о неизвестном сравнении — единственное, что действительно следует из источников, и она не придирка: вопрос не в том, врёт ли кто-то, а в том, что цифру нельзя проверить.
Что до четырнадцатого полёта, на кадрах которого всё началось: там момент горячего разделения уже стал абзацем чек-листа. Огонь в люк перестал быть экспериментом и превратился в процедуру, и это, пожалуй, самый честный итог истории. Приём, придуманный советскими конструкторами ради экономии деталей, через шестьдесят лет вернулся на самой большой ракете мира по той же причине. Только теперь никто не может точно сказать, сколько эта экономия стоит в килограммах.