В понедельник SpaceX Илона Маска совершила то, что большинство людей в ракетной отрасли считали почти невозможным: впервые в истории ступень ракеты, доставившая полезный груз на орбиту, развернулась и вернулась на Землю, благополучно приземлившись на свою хвост.
Оторвать ракету от земли достаточно сложно, но наука хорошо изучена, а физика довольно проста. Однако обратный процесс является сложной задачей. Безопасная посадка высокого и тонкого корабля - совсем другая проблема.
Покидая Землю
Во-первых, введение в самую легкую часть. Чтобы выйти на орбиту, ракета должна преодолеть гравитацию и сопротивление. К сожалению, если спроектировать ракету, которая хорошо справится с этой задачей, ее повторная посадка будет затруднена.
Основы физики ракет одинаковы для ракеты НАСА и модели ракеты, запущенной 9-летним ребенком. Центр массы ракеты (точка внутри ракеты, вокруг которой равномерно распределена вся масса) должен совпадать с центром тяги и вектором тяги. В противном случае ракета будет вращаться, а не лететь прямо.
Конструкторы ракет также должны думать о центре подъемной силы, который является точкой, в которой общая сумма всей подъемной силы, создаваемой частями - крыльями, поверхностями управления и аэродинамическими частями фюзеляжа - уравновешивается. На самом деле его легко представить как центр сопротивления. При запуске ракеты центр сопротивления будет перемещаться так, чтобы оставаться прямо позади центра масс. Ракета, летящая в такой конфигурации, будет устойчивой.
Но по мере того, как ракета сжигает топливо, центр масс смещается. Если центр масс сместится назад за центром сопротивления, ракета, которая была устойчивой, станет неустойчивой. Грузовая машина, выполнившая свою работу, скорее всего, находится в такой нестабильной конфигурации из-за того, что при запуске выбрасывается все топливо.
Возвращение домой
Добраться до орбиты достаточно сложно. А вот посадить ракету на хвост сложнее, потому что с почти сухими баками ракета гораздо неустойчивее, чем при старте. Приземление SpaceX 21 декабря было не первой попыткой компании сделать это: они пытались и потерпели неудачу в двух предыдущих случаях.
Обе предыдущие попытки посадить ракету были предприняты на барже-дроне, выходившей в море. Это была первая попытка выхода на сушу, имевшая некоторые преимущества. Суша не шатается, а недавно построенная посадочная площадка (LZ-1) на мысе намного больше. (Хотя, надо отдать должное SpaceX, они приземлились прямо посередине площадки.)
В недавно модернизированном Falcon 9 есть много такого, что делает его уникально способным приземляться после запуска. Большинству ракет требуется все имеющееся у них топливо, чтобы вывести полезную нагрузку на орбиту. Но Falcon 9 был построен с учетом возможности повторного использования и почти 30% запаса топлива, что позволяет ему доставлять капсулу SpaceX Dragon или другую полезную нагрузку, такую как 11 спутников ORBCOMM, выведенных на орбиту в понедельник, и при этом иметь достаточно топлива для возвращения. первый этап.
Для торможения первой ступени необходимо дополнительное топливо. После отделения и воспламенения второй ступени, пока она все еще находится на гиперзвуке, двигатели первой ступени повторно запускаются, тормозят и поворачивают ступень обратно к месту приземления в режиме «обратного ускорения». Позже, во время входа в атмосферу, происходит еще один запуск, на этот раз с использованием только трех из девяти двигателей главной тяги. Наконец, при «конечном» сжигании используется один двигатель, который замедляет ракету до мягкого приземления.
Но нужно не только дополнительное топливо. У Falcon 9 также есть небольшие складные термостойкие крылья, называемые решетчатыми плавниками. Они необходимы для управления сценой, когда она падает хвостом вперед от края космоса через атмосферу. Ребра создают сопротивление нисходящему вектору ракеты, удерживая двигатель направленным по вектору полета, тогда как всего несколько минут назад все законы физики заставляли ракету лететь в совершенно противоположной конфигурации.
На первой ступени также имеются двигатели на холодном газе, расположенные в верхней части ракеты, которые используются для разворота ракеты, чтобы можно было повторно запустить главные двигатели и выполнить обратный запуск. Наконец, сцена оборудована опорными опорами, которые разворачиваются при касании.
Все эти системы полностью автоматизированы (и должны быть) - реагируют и корректируют свое поведение на основе данных в реальном времени от бортовых датчиков. Все происходит слишком быстро, а ракета слишком дергается, чтобы человек мог ею управлять. Эту работу лучше доверить компьютеру.
Причина, по которой ракетой трудно управлять в посадочной конфигурации, во многом связана с центрами масс и сопротивлением, о которых мы говорили ранее. Falcon 9 должен быть высоким и тонким, чтобы он мог быть эффективной ракетой-носителем, но именно такая конфигурация делает его чудовищным для управления, когда он возвращается вниз.
В то время как двигатели на холодном газе используются для вращения ракеты перед запуском разгона, Falcon 9 использует свои карданные главные двигатели для обеспечения разрушающей тяги и (почти всей) вращательной (угловой) тяги, необходимой для управления. и посадить сцену обратно на землю. Другими словами, весь крутящий момент, необходимый для поворота ракеты, прикладывается к одному концу ракеты без какой-либо уравновешивающей тяги на другом конце. Просто попробуйте подержать ручку метлы на кончике пальца головой вверх, чтобы увидеть, насколько это сложная задача.
Это возможно, но поскольку вы прикладываете силу на одном конце, она очень нестабильна, и корректировки необходимо вносить постоянно. А поскольку ракетный двигатель, обеспечивающий эти поправки (чтобы поддерживать вертикальное и устойчивое положение ступени), также используется для торможения падающей первой ступени по направлению к приземлению, а также обеспечивает горизонтальное векторение, это представляет собой сложную задачу вычислений в реальном времени.
Если ракета наклонится слишком далеко и центр масс выйдет за край хвостовой части ракеты, если его немедленно не оттолкнуть назад в противоположном направлении, ступень ракеты станет невозвратной. Более короткую, приземистую ракету было бы легче контролировать при посадке, но гораздо труднее вывести на орбиту, в первую очередь из-за аэродинамического сопротивления, не говоря уже о том, что она менее устойчива при подъеме.
В общем, хвостовая посадка SpaceX - это триумф не только конструкции ракеты, но и программного обеспечения. Просто нелегко сбалансировать движущуюся, нестабильную палку на хвосте до безопасного приземления в очень определенном месте.
Но это не первый
Это не первый раз, когда ракета приземляется вертикально. После первой успешной посадки суборбитального корабля New Shepard компании Blue Origin в Западном Техасе в конце прошлого месяца основатель Blue Orbital Джефф Безос опубликовал в Твиттере кадры запуска и посадки корабля.
Редчайший из зверей – использованная ракета. Управляемая посадка непростая задача, но сделанная правильно может выглядеть легкой. Посмотрите видео:
- Джефф Безос (@JeffBezos) 24 ноября 2015 г.
Милостиво оставлено невысказанным любое упоминание о неудачной попытке SpaceX посадить свой Falcon 9 - пять испытательных спусков в океанской воде и две неудачные испытательные посадки на дрон-корабль. Тем не менее, это привело к резким перепалкам между двумя миллиардерами.
Поздравляем Джеффа Безоса и команду BO с достижением вертикального взлета и посадки на их ускорителе
- Илон Маск (@elonmusk) 24 ноября 2015
Однако важно прояснить разницу между «космосом» и «орбитой», как хорошо описано
- Илон Маск (@elonmusk) 24 ноября 2015
Ой. Однако именно «переворот» и ускорение, выполненные Маском Falcon 9, делают приземление уникальным достижением. Для выхода в космос требуется скорость около 3 Маха, но для выхода на орбиту требуется скорость около 30 Маха, где требуемая энергия пропорциональна квадрату скорости (E ∝ v²). То, чего SpaceX достигла с Falcon 9, намного сложнее: отказ от орбитальных скоростей и возвращение ступени на землю с неповрежденной ракетой никогда раньше не делалось.
Маск далее отметил, что SpaceX выполняет суборбитальные испытательные полеты на своем Falcon 9-R под кодовым названием «Кузнечик» с 2013 года.
Джефф, возможно, не знает, что суборбитальный полет вертикального взлета и посадки SpaceX начался в 2013 году. Орбитальная посадка на воду в 2014 году. Следующая посадка на орбитальную землю.
- Илон Маск (@elonmusk) 24 ноября 2015
Однако после успешной посадки Falcon 9 в понедельник Безос не мог не нанести последний удар по Маску.
Поздравляю @SpaceX с приземлением суборбитальной ракеты-носителя Falcon. Добро пожаловать в клуб!
- Джефф Безос (@JeffBezos) 22 декабря 2015 г.
Я не знаю, насколько серьезно Безос и Маск относятся к вещам, но лично я считаю, что миллиардеры, болтающие о ерунде в космической гонке, - это именно то, что нам нужно. Это, конечно, намного веселее, чем последняя космическая гонка, в которой две ядерные державы столкнулись из-за множества межконтинентальных баллистических ракет.
Это последнее путешествие
Вернутая первая ступень Falcon 9 в настоящее время все еще находится на посадочной площадке в ожидании транспортировки на перерабатывающий комплекс.
Хотя в будущем первые ступени возвращенного Falcon 9 будут дозаправляться и перелетать, что позволит сократить эксплуатационные расходы SpaceX, поскольку всего 3% стоимости его строительства и запуска уходит на отработанное топливо, было подтверждено, что этот Falcon По крайней мере 9 не будут перезапущены.
После неудачного запуска CRS-7, ожидается, что Dragon компании SpaceX вернется в полет в феврале с CRS-8. Дебют SpaceX Falcon Heavy, включающий в себя балетный танец трех ядер первой ступени Falcon 9, возвращающихся на мыс, запланирован на середину года.