Научно-популярно о космосе и астрономии (lozga) wrote,
Научно-популярно о космосе и астрономии
lozga

Category:

Пусть расцветают сто многоразовых ракет

В 2013 году, когда Маск еще только собирался повторно использовать первую ступень, я сделал пост с расчетом и оценками затрат массы на разные способы посадки. Сейчас, когда повторно используемые ступени уже никого не удивляют, интересно глянуть на то, какие варианты летают и разрабатываются.


Посадка боковых блоков Falcon Heavy, фото SpaceX

Двигатели


В исходном посте рассчитывался минимально возможный запас топлива исходя из одного финального торможения со скорости, ограниченной сопротивлением воздуха. В реальности ступень Falcon 9 тормозит до трех раз - первое включение выводит ее на траекторию посадки, второй раз двигатели включаются, чтобы снизить тепловую нагрузку и только третье включение производится непосредственно для посадки. Точные данные непосредственно от SpaceX нам недоступны, но есть моделирование миссий от flightclub.io. Попробуем сравнить.

Расчеты 2013 года давали минимум 2 тонны топлива для торможения со скорости свободного падения 260 м/с. В первой успешной посадке 8 апреля 2016 в миссии SES-8 симуляция flightclub дает скорость для момента включения двигателя 288 м/с (скорее случайно угадали, но порядок цифр и не должен был отличаться), но вот топлива тратится больше, 6 тонн - и ракета за три года потяжелела, и в симуляции считается, что в итоге в ступени останется почти 5 тонн топлива.



Но это в общем не имеет особого значения, потому что перед первым включением в ступени запас примерно в 50 тонн, что в два с лишним раза превышает сухую массу ступени.



Для миссии с возвратом ступени на площадку около старта запас, естественно, получается большим, но не в разы - торможение для прицеливания в баржу расходует гораздо больше топлива, чем может показаться. В первой миссии с возвратом на старт, Orbcomm OG2-2 (декабрь 2015), запас топлива по симуляции flightclub оценивается в 61 тонну.



Для тяжелых полезных нагрузок ступень может производить только два включения, а баржа ставится дальше по траектории полета. Например, в недавней миссии Starlink 3 запас топлива должен был составить примерно 24 тонны, что сравнимо с массой сухой ступени (предположительно, 26,3 тонны).



Парашюты


Как любое инженерное решение, парашюты имеют достоинства и недостатки. С одной стороны, они прекрасно подходят для замедления падения и могут уменьшить скорость до нескольких метров в секунду. Но для совсем мягкой посадки требуемая площадь начинает нерационально расти - требуются какие-то дополнительные решения. И с точностью посадки даже на управляемых куполах есть проблемы. SpaceX ловит головные обтекатели кораблем, при этом мягкость посадки обеспечивается огромной сеткой, но пока что обтекатели нередко промахиваются мимо цели. На парашютах садились боковые ускорители Space Shuttle - их конструкция была крепче, чем у ступеней с жидкостными двигателями, и посадка на воду смягчала удар. Боковые ускорители ракеты-носителя "Энергия" должны были садиться на парашютах, а удар о поверхность предполагалось смягчать двигателями мягкой посадки и опорами с амортизаторами, но на практике эту концепцию проверить не успели. Сейчас на парашютах садится суборбитальная ракета SARGE компании Exos Aerospace, которая за счет небольшой массы и прочности конструкции может пережить удар о землю.

Оценить жесткость посадки можно по видео с борта ракеты, большие ступени такое точно не выдержат.



Крылья


Крылатые ступени в металле пока не появились. Проект Adeline для европейской Ariane 6 закрыли, хотя и успели провести испытания масштабной модели. На базе российского "Байкала" идут работы по проекту "Крыло-СВ", в 2017-2018 годах были проведены работы в рамках аванпроекта, технологические демонстраторы ожидаются не раньше 2021 года.


Полноразмерное "Крыло-СВ" и уменьшенный демонстратор

Воздушный подхват


По сути, воздушный подхват позволяет реализовать достоинства парашютов без их недостатков. Вертолет цепляет снижающуюся на парашюте ступень и позволяет мягко приземлить ее в нужное место. Теоретически этот вариант должен требовать минимум дополнительной массы на ракете - не нужны даже посадочные опоры. И очень радостно, что эту идею не забыли и будут пробовать реализовать.

Компания Rocket Lab, первоначально не планировавшая повторно использовать первую ступень, передумала осенью 2019 года. В конце 2019 и начале 2020 в реальных пусках проверена работа нового оборудования, обеспечивающего управляемый спуск ступени. А на прошлой неделе прошли успешные испытания подхвата макета вертолетом. Попытка поймать настоящую ступень может быть произведена уже в конце 2020.



United Launch Alliance разрабатывает концепцию подхвата хвостового отсека разрабатываемой ракеты-носителя Vulcan. Ее первый полет состоится не раньше 2021, и неизвестно, сразу ли она станет многоразовой, или же это будет внедрено позже.



Заключение


Данная в 2013 году оценка того, что посадка на двигателях окажется одной из наиболее утяжеляющих ракету, подтвердилась. Но это не мешает успешной работе метода - на сегодняшний день просто нет нескольких соревнующихся в одной весовой категории и стремящихся вывести максимальную полезную нагрузку ракет, где бы более эффективный с точки зрения массы способ посадки первой ступени мог бы дать заметное преимущество. Чем больше разных многоразовых систем будет реализовано, тем на большее количество вопросов можно будет ответить по полученному опыту. Может быть, ко второй половине века и найдутся оптимальные решения, которые станут стандартом.


Нажмите эту кнопку, и вам будет приходить сообщение, когда выйдет мой новый пост.


Я в социальных сетях:Вконтакте, Facebook, Twitter, Instagram, YouTube
Поблагодарить деньгами: Яндекс.Деньги, PayPal, Webmoney

attentioneer.jpg
Tags: облегчение доступа в космос
Subscribe

Posts from This Journal “облегчение доступа в космос” Tag

  • Не Falcon'ом единым — принципиально иные многоразовые проекты ЕКА и ULA

    Полеты многоразовых первых ступеней ракеты-носителя Falcon от SpaceX вызвали всплеск интереса к многоразовым ракетам. И если, например, китайская…

  • Суборбитальная осень

    Конец лета и начало осени принесли обильный урожай суборбитальных пусков частных компаний - 25 августа впервые стартовала американская SARGE…

  • Еще больше сверхлегких ракет-носителей

    Распространение ракетных стартапов привело к анекдотической ситуации. Одним прекрасным днем журналисты канала ABC7News пролетали на вертолете над…

  • Печальная история «Зенита»

    Увы, успех технической системы не всегда зависит только от ее совершенства. И печальная история ракеты-носителя "Зенит" наглядно показывает, как…

  • Больше малого космоса?

    Хорошая новость - подвешенный в начале года без финансирования проект сверхлегкой ракеты SS-520 будет продолжен, и второй запуск состоится в…

  • Воспоминания о ракетной почте

    В этом месяце будет юбилей уже практически забытого события - 16 ноября 1992 года стартовал, а 22 ноября приземлился аппарат миссии доброй воли…

promo lozga november 4, 2014 17:00
Buy for 50 tokens
Привет! Добро пожаловать в блог, посвященный популяризации космонавтики, астрономии, и, шире, науки и прогресса человечества. Если вы зашли ко мне впервые, рекомендую почитать длинные серии постов по тегам: Серия "Незаметные сложности космической техники". Рассказы о том, как и почему ракеты и…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 414 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →