Илон Маск и многоразовые ракеты

Сегодня мы поговорим о многоразовых системах с ракетной посадкой, но при этом слегка обобщим некоторые моменты, связанные с приземлением вообще, имеющие принципиальное значение для технологии.

В одном из телеинтервью Юрий Борисов, новый глава Роскосмоса, сказал, что парашютные системы являются недостаточно точными, в отличие от ракетных. На первый взгляд, если посмотреть на зоны падения ступеней Союзов и Протонов, и сравнить их с морской платформой Илона Маска, это так и есть. Это та очевидность, которая бросается в глаза дилетанту (которым Борисов, судя по этому заявлению, и является).

Однако космонавтика — это область неочевидного, порой даже контринтуитивного. И нам нужно разобраться в этом вопросе, потому что проблема точности приземления — она краеугольная во всей технологии.

Если ракетная ступень приземлится в тайге на площадку с песчаным грунтом, она выроет огромную яму, провалится в нее, и окружающие деревья (допустим, пожара не будет) не дадут ее нормальным образом эвакуировать в цех послеполетного обслуживания. Ну и зачем такое чудо нужно?

Чтобы ракетная ступень повторного использования с ракетной посадкой могла пройти по технологическому циклу, необходимо выполнение нескольких условий:

1. Такая ступень должна выполнить свою работу на этапе выведения.
2. Она должна, вне зависимости от конечных баллистических условий этапа выведения, «упасть» точно на посадочную площадку.
3. Метеоусловия в точке приземления должны быть удовлетворительными (чтобы ветром не опрокинуло, или гололед под опорами не помешал).
4. Она должна на этапе приземления совершить его с правильными значениями вертикальной и горизонтальной скорости.

И если с первым пунктом у нас все ясно, то непонятки начинаются со второго. Как решается вопрос точности точки падения сейчас, например, для ракет типа Союз? Он не решается никак, от слова вообще. После отделения от носителя ступени просто падают, как бог (точнее механика Ньютона и всякая прочая попутная святотень) на душу положит.

Еще раз — современные одноразовые ступени не управляют своей траекторией на участке падения, и потому, и только потому, районы падения ступеней имеют такую большую площадь.

Так вот я хочу сказать главе Роскосмоса Юрию Борисову — вы неправы. Говоря о точности падения парашютных и ракетных ступеней, вы не учитываете того факта, что ракетные ступени специально прицеливаются, после разделения, в нужную точку — а обычные ступени так не делают. В этом основная разница, а не в парашютах.

Баллистики знают, что менять высоту перигея надо в апогее, поэтому прицеливание ракетной ступени Фалькон-9 осуществляется Маском… в вершине траектории! Именно там импульс с минимальным значением приводит к максимальной дельте траектории падения у поверхности земли. Отработавшая выведение ракетная ступень кратковременно включает двигатели, и меняет параметры своей траектории таким образом, чтобы конечная точка этой траектории уперлась в земную поверхность в нужном месте.

Без этого маневра ракетная ступень будет точно так же падать «примерно где-то там», что и обычная.

Поскольку после отделения масса опустошенной ступени мизерная, а тяга маршевых двигателей огромная, такая ступень может со скромными запасами топлива развивать огромные ускорения — к примеру, Маск демонстрировал даже возвращение ступени к точке старта. Да, это очевидная глупость, и происходило это путем снижения массы нагрузки, что ухудшало коммерческие параметры носителя, но это говорит нам о том, что управляемый маневр в вершине траектории возможен, и обеспечивает большую дистанцию для точного наведения.

Если бы парашютные системы спасения, которые «недостаточно точны», использовали маневр в верхней точке траектории для коррекции оной траектории в нужную мишенную точку, то точность парашютных систем спасения была бы вполне достаточной для посадки на площадку (и сопоставимой с ракетными). И даже если бы обычные, одноразовые ступени, после отделения корректировались бы в нужное место падения небольшими ракетными двигателями — то районы падений ступеней были бы гораздо компактней нынешних.

На самом деле проблема точности приземления заключается в том, пытается ступень приземлиться в нужной точке, есть у нее для этого двигатель, система наведения и немного топлива — или нет. И всё. Ракетная посадка сама по себе не имеет отношения к точности — это всего лишь способ снижения избыточной скорости. А вот коррекция в верхней точке траектории — она фундаментальна, без нее ни одна ступень, хоть с даже с прости господи антигравом, просто не попадет в точку посадки. Потому что после разделения будет лететь «примерно в том направлении».

Итак, пункт второй мы разобрали — точность падения ступеней можно улучшить, причем просто и недорого, и для обычных носителей тоже. Учитывая потенциальную широту маневра, и возможности навигационных систем на базе ГЛОНАСС/GPS, это реальная возможность существенно изменить правила игры. Почему? Потому что п.3. — метеоусловия.

При запуске Протона или Союза метеоусловия в районах падения ступеней могут быть ЛЮБЫМИ. Нам просто плевать, какие они там — все равно имущество бьется всмятку. Поэтому одноразовые ракеты ограничены по метеоусловиям только на старте. А многоразовые ракеты — ограничены по метеоусловиям еще и в точке приземления…

Если у вас на посадочной площадке порывистый ветер 20-30 м/с, мокрый снег и гололед — вы можете не надеяться на успешный полет самой многоразовой ракеты. Потому что она один хрен после посадки опрокинется и побьется, придя в негодность.

Одноразовые Союз, Протон, Ангара могут летать в любую погоду, допускающую отрыв от стартового стола — а многоразовому Фалькону нужно, чтобы в точке приземления ступени у него была тишь, гладь и божья благодать. Потому что отработанная ступень легкая, а парусность у нее большая — ее сдует с платформы даже ветром средней силы, особенно в момент отсечки двигателя и прыжков на опорах, как уже бывало у Маска…

Следующий момент — положение посадочной площадки. Сколько у нас оборудованных и логистически обеспеченных посадочных площадок? Насколько устойчива погода в них? Можем ли мы найти такие посадочные площадки, в которых будет тишь, гладь и божья благодать? Допустим, у нас их устроено пять. В тайге. Мы проложили туда железную дорогу, подготовили краны, системы дегазации баков, разместили персонал. И в день запуска везде подул ветер… И чо тогда делать?

Запуск надо переносить по условиям в доступных точках посадки.

Маск же каждый раз точно и красиво сажает ступени — почему? Потому что у него платформы МОРСКИЕ. Он смотрит по прогнозу, где погода хорошая — и платформа плывет туда. В результате у него на каждый запуск есть несколько платформ с хорошими метеоусловиями. Маск не старается угадать с погодой в точке посадки — Маск двигает точку посадки туда, где погода хорошая. А уже носитель сам, за счет маневра в апогее, наводится туда, где его ждут с хлебом-солью.

Еще раз. Успешность Фалькона в части ракетных посадок ступеней объясняется тем, что для Маска посадочная площадка — океан на сотни километров в обе стороны траектории запуска, и он просто сажает ступень там, где она сможет сесть — а уже посадочные платформы для этого располагаются заранее, в соответствии с метеопрогнозом, в этих местах. Грубо выражаясь, не ракета целится в платформу — платформа целится в ракету…

Точнее, строго говоря, это не так, они обе ищут компромисс по погодным и баллистическим условиям — но в целом вот этот вот момент адаптивного размещения посадочной площадки для первой ступени Фалькон-9 играет огромную роль.

А в тайге такое НЕВОЗМОЖНО.

Таким образом, с точки зрения точности попадания в заданную точку, все обуславливается ракетным маневром в верхней точке траектории, а с точки зрения успешности приземления — подбором (для каждого запуска уникальным) правильной посадочной площадки (по метеоусловиям) при условии однообразной логистики (и на морских платформах она всегда одинаковая). Только при таком подходе можно добиться устойчивости запусков, сравнимых с одноразовыми носителями, которые могут стартовать значительно устойчивее и надежнее, так как для них надежность определяется погодой в точке старта, и нигде больше.

Если говорить о запусках с Восточного, добиться подобной надежности многоразового запуска невозможно, в силу ограничений сухопутного размещения посадочных площадок и обеспечения логистики, и то же самое касается и Байконура.

Однако у Восточного есть небольшой шанс все-таки. Это — Охотское море. Почему?

По той простой причине, что посадка в воду — это всегда посадка в воду, и логистика возвращения ступени в любой точке Охотского моря одинакова.

Если повторно используемая ракетная ступень спроектирована так, чтобы выдержать воздействие морской воды (как ускорители шаттлов), и если она в верхней части траектории может навестись на Охотское море, и если она может садиться прямо в воду — то это вариант.

И здесь мы опять вспоминаем про парашютный спуск. Парашют КК Союз раскрывается на высоте менее 10 км. При этом скорость приземления — 9 м/с — не является безопасной для экипажа, но ракетная ступень может вынести такой контакт с водой. При этом снижение скорости до этих значений происходит на протяжении всего нескольких километров — фактически, с высоты тысячи три капсула Союз уже спокойно снижается, занимаясь подготовкой к посадке — отстрелом теплового щита, крышек иллюминаторов, дренажом перекиси водорода из двигательной системы и так далее…

На самом деле, для ракетной ступени парашют, в зависимости от установившейся скорости снижения, можно вводить на высоте километров пять-шесть, или даже ниже, и при этом боковой снос будет минимальным даже в свежий ветер. При условии правильного выбора мишенной точки в Охотском море, и «мокрого» конструктива ступени, ракетная ступень с Восточного может безопасно и точно приземляться, точнее приводняться, в акватории Охотского моря вблизи судна логистики.

Так что я бы не отбрасывал такой вариант возвращения — по метеоусловиям в точке посадки он значительно надежней, чем посадка на сушу. Просто потому, что точность посадки в желаемую мишенную точку обеспечивается в высшей точке траектории, а обеспечить однообразную логистику на воде проще и дешевле, чем на суше.

Собственно, схема парашютного спасения ракеты в воду достаточно отработана:

Ступень переворачивается парашютами в положение «двигателями вверх» и втыкается в воду, как гвоздь. Почему именно в таком положении? А потому, что конструкция первой ступени рассчитана на восприятие нагрузок именно в направлении от носа. Кроме того, при такой «посадке» можно вообще сохранить двигатели сухими.

А чтобы ступень потом не перевернулась тяжелыми двигателями вниз — у нее ближе к двигателям надуваются баллоны, поддерживающие ступень на плаву в вертикальном положении.

Следующий момент касается непосредственно снижения.

После того, как в апогее мы сформировали баллистику спуска, нам требуется точная «доводка» траектории и стабилизация ступени на этапе посадки для достижения нужных условий посадки. Маск это делает с помощью аэродинамических рулей. Именно с помощью рулей он справляется с выдерживанием ориентации ступени в потоке, что дает ему возможность избежать кувырков ступени, формируя угол атаки, произвести точное прицеливание, а также сформировать установившуюся скорость снижения, необходимую для расчета включения посадочных двигателей. Таким образом, посадка Фалькон-9 не является чисто ракетной — она комбинированная. И аэродинамический компонент здесь играет важную роль, причем даже вдвойне важную. Фалькон-9 наводится на посадочную площадку точно так же, как бомба JDAM, и я подозреваю — с помощью точно такой же электроники и математики.

Важность точного аэродинамического наведения в точку посадки связана с неочевидным моментом режима работы двигателей при посадке.

1. Для обеспечения надежности посадки в условиях набегающего потока двигатели должны работать на тяге, близкой к максимальной.
2. Высотность сопла в сочетании с режимом работы двигателей не должна приводить к колебательным явлениям в потоке.
3. На двигатель воздействуют статическое и динамическое давление — при этом статическое возрастает с приближением к земле, а динамическое уменьшается у уменьшением скорости.

Теперь давайте посмотрим на последнюю (финальную) стадию ракетной посадки «по Маску».

1. С помощью баллистического «прицеливания» в верхней точке траектории он попадает в ту мишень, которая готова его принять. Из того ассортимента, который есть, и который формируется индивидуально для каждого запуска исходя из метеопрогноза.
2. С помощью аэродинамического маневра производится точное прицеливание, а также формирование установившейся скорости снижения.

Установившаяся скорость снижения означает примерно одинаковые условия включения двигателя — статическое давление и скоростной напор, высоту включения. Иными словами, в последних запусках Маск подобрал такую баллистическую схему посадки, в которой его двигатели включаются максимально устойчивым и предсказуемым образом, при этом боковое отклонение у него практически нулевое, что позволяет исключить стадию зависания и бокового маневра при посадке. Незначительные отклонения он парирует двигателями, но делает это не в режиме зависания, а в режиме торможения. Наконец, усилие, развиваемое двигателями при посадке, всегда выше массы ракеты, ускорение всегда больше 1G, и манипулируя тягой таким образом, чтобы к моменту отсечки ракета была на нуле с минимальной скоростью снижения, Маск решает задачу устойчивой работы двигателей просто путем высокой энергетики торможения.

Маск забивает Фалькон-9 в посадочную площадку, как гвоздь — одним точным ударом.

Только таким образом он может удержать систему в заранее рассчитанных параметрах надежной посадки — но вся красота «посадки по Маску» на видео не видна — ибо она формируется в верхних слоях атмосферы, и подготавливается задолго до пуска. Посадка «по Маску» — это прежде всего точность системы навигации и управления, это целый комплекс взаимно-адаптивных мероприятий по определению точек посадки, размещению в них платформ, привязки точных координат, расчету необходимого запаса топлива, коррекций в верхней точке и на снижении — и только в финале мы видим, как здоровая елда прыгает по платформе на ножках, рискуя навернуться в воду…

И при всем при этом нужно помнить, что у Маска работает при посадке не вся ДУ — а всего несколько двигателей, которые можно назвать посадочными. Фактически Маск разделяет маршевые двигатели носителя и посадочные двигатели ступени, и в Старшипе, как он недавно заявил, это разделение будет физическим. Часть двигателей Старшипа не сможет работать при посадке, они будут работать только на этапе взлета, и в них будут внесены соответствующие изменения.

Глубокое дросселирование — тупиковый путь, если мы говорим о ракетной посадке в атмосфере, и сам Маск уже давно идет по совсем другому пути, разделяя функции двигателей, и используя посадочную установку в специально сформированных на разных этапах полета условиях.

Материал: https://bigdrum.livejournal.com/2062295.html
Настоящий материал самостоятельно опубликован в нашем сообществе пользователем Proper на основании действующей редакции Пользовательского Соглашения. Если вы считаете, что такая публикация нарушает ваши авторские и/или смежные права, вам необходимо сообщить об этом администрации сайта на EMAIL abuse@newru.org с указанием адреса (URL) страницы, содержащей спорный материал. Нарушение будет в кратчайшие сроки устранено, виновные наказаны.

Дочитал до конца? Жми кнопку!

Вам может понравиться...

12 Комментарий
старые
новые
Встроенные Обратные Связи
Все комментарии
Gena
Gena
1 месяц назад

Чёт навеяло..

https://www.youtube.com/watch?v=TRCQmNMOqUY

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130
1 месяц назад

Хммм, вот просто интересно — с точки зрения тэкзять технико-экономической: многоразовые ракеты резко удорожают стоимость каждого отдельного двигателя. А томущо их нужно меньше и серия выпуска меньше в разы. А это само по себе ещё и тупо тормоз для модернизации двигателей и ступеней. Ну не будут же их переделывать между запусками?
Итак с одной стороны экономия на производстве, а с другой — удорожание самих двигателей вследствие малости серий выпуска плюс торможение модернизаций.
Ну ниннаю — тут очень скрупулёзно и внимательно считать ннада.
Да и ваще — самолётная посадка и нехрен хренью маяца.

Gena
Gena
для  ZIL.ok.130
1 месяц назад

Одно да потому, нафиг не нужно никому. Пока не запустят в серию гравицаппу — всё это беспонт одесский.

RWW
RWW
для  ZIL.ok.130
1 месяц назад

На мой взгляд основное удорожание не в этом этапе и не в этапе посадки описанной в статье.
Вся штука в том что вся конструкция ступений работает в жестких условиях. Взлет , перегрузки, перепады давлений , температур и еще вот посадка.
После посадки всю ступень и двигатели требуется разобрать на детали и каждую деталь исследовать заново на предмет пригодности, а потом заново собрать. Опыты с возвращением были, но вот процент пригодности деталей и систем к повторному использованию мне нигде не попадался.

bib_l
bib_l
для  RWW
1 месяц назад

Ну нафиг! Сначала гравицапа, потом йацилоп, а там и до цикА (ЭнЦик — не?)с гвоздями дойдёт. Ну его нафиг такой прогресс!
И удорожание — это скурКулёзно считать надА. Вот у многоразовых систем — перейдут на метан, закоксовывания трактов не будет (ну почти)-переборка подешевеет. Но вот баки всё равно штука дорогая, я так понимаю там не просто труба из листа, а чЁ то сотовое, дорогущее… И оно таки мнётся(это ежели парашют, не факт но вероятно).
Тут проскакивало что возможна 3D печать тяжелонагруженных конструкций, прогресс однако. Возможно дешевле будет напечатать одноразово, запулить, сбросить в ограниченный район и из остатков напечатать новый — цикллллл! Безотходный! Модно, современно!
Ну а самолётный старт — опять же прогресс, гиперзвуковой ПВРД со сверхзуковым горением ежели есть в натуре, а лучше в серии, то явно эффективнее ракетОв всяких. Хотя при наличии двигателей с детонационным горением — не факт.
Все на орбитальный лифт(оттудАвА прыгать классно)! Да и материалы для него ещё в 2000х были.
А вот у китайцев есть вообще вундервафля — рогатка!
А вообще-то удорожание, основное, во всём мире — это экономика РОЗ (распил, занос, откат (в 90х слышал, да)). Достаточно посмотреть на Илона нашего Маска и доблестных строителей космодрома Восточный (Роскосмос — нет?)
А статья — то хорошая.

ZIL.ok.130
ZIL.ok.130
для  Proper
1 месяц назад

Ну баллистичские кагбэ и предназначены изначально для «горизонтального» полёта. Т.е. база то — ого-го!

Небритое прямоходящее
Небритое прямоходящее
для  ZIL.ok.130
1 месяц назад

При баллистике нагрузка на сжатие по продольной оси с минимальными изгибными. При самолётной вес ПН и ДУ на разных концах балки при знакопеременных нагрузках.
Минимум для сравнения, тащемта.

Небритое прямоходящее
Небритое прямоходящее
1 месяц назад

Вся прелесть этой многоразовости, расчётов и экономии в том, что главным требованием НАСА является использование в запусках с насовской нагрузкой только новых компонентов — как в РН, так и в КК
Занавес, аплодисменты, свет.

Базилевс
Базилевс
для  Небритое прямоходящее
1 месяц назад

Так жестоко подрубить наивную мечту человечества об экономии могут только конченные садисты…

Небритое прямоходящее
Небритое прямоходящее
для  Базилевс
1 месяц назад

И опять Ондруша не в силах удержаться о тонкого (по его мнению), искромётного (как ему кажется) юмора (нет).
Не подвёл и лишний раз подтвердил.
Сказать-то по теме есть что или просто засвербело?

Чтобы добавить комментарий, надо залогиниться.