Посадка ракеты илона маска на платформу

Обновлено: 05.10.2024

Starship стартовал с полигона в районе Бока-Чика (штат Техас) в 01:24 мск. Starship — модель космического корабля, предназначенного для полетов за пределы земной орбиты. NASA заключило с SpaceX контракт на строительство версии космического корабля, который доставит астронавтов на поверхность Луны в конце этого десятилетия. Как и во время предыдущих высотных испытательных полетов, звездолет привели в действие три двигателя Raptor, каждый из которых выключался последовательно до того, как корабль достигал заданной высоты, сообщила компания, — примерно 10 км от земли.

SpaceX - была основана в 2002 году прежним акционером PayPal и CEO Tesla Motors Илоном Маском. Главными целями, которые преследовал Маск были сократить расходы на полёты в космос и начать колонизацию Марса.

Спустя четырнадцать лет и пройдя сквозь череду неудач 9 апреля 2016 года произошло историческое событие в аэрокосмической отрасли не только США, но и всего мира. Компании SpaceX удалось удачно посадить первую ступень ракеты Falcon 9 на автоматическую плавучую баржу по среди Тихого океана. В век, когда технологии настолько быстро развиваются этот факт кажется посредственным, но данное событие является действительно важным и вот почему.

Основным моментом является то, что посадка ступени ракеты происходила в полностью автоматическом режиме. Хотя, наверное, сказанное все еще не впечатляет. Однако, здесь нужно представить, как сооружение высотой с 25-этажный дом падает с высоты 100 километров и при этом ему нужно попасть на квадрат, который площадью всего 20 квадратных метров и к тому же качается на волнах. Возникает закономерный вопрос - зачем возвращать ступени ракет? Ранее первые ступени ракет-носителей после отделения просто падали на землю. Точка падения всегда рассчитывалась заранее. Главной проблемой было то, что ступени были одноразовыми и после каждого старта ракета стоимостью в миллионы долларов грубо говоря разбивалась о землю. По словам самого Илона Маска, цитата: "это все равно, что выбрасывать самолет после каждого полета". Илон решил опробовать технологию, по которой ступени ракет SpaceX будут использовать технологию реактивной посадки и садиться будут вертикально.

Данная идея не новая, но SpaceX добились большего успеха, чем остальные подобные компании. Компания начала отрабатывать данную технологию на своем полигоне в штате Техас в 2012 году. Экспериментальным аппаратом, имитировавшим первую ступень ракеты Falcon 9, был аппарат под названием Grasshopper (кузнечик). Всего было выполнено восемь тестовых полетов. Данный аппарат имел всего один двигатель и примитивное посадочное устройство, он совершал взлет и вертикальную посадку. Ему на смену в 2014 году пришел аппарат под названием F9R-Dev1. Он уже оснащался тремя двигателями и четырьмя раскрывающимися посадочными опорами. Этот аппарат отрабатывал маневрирование и зависание, и подымался на высоту в тысячу метров. Однажды после сбоя в системе управления его пришлось взорвать по команде с земли. Далее посадки ракеты проходили штатно. Также, SpaceX дважды пытались посадить ракету на автоматическую баржу на воде, но обе попытки оказались неудачными.

Однако в SpaceX смогли из серии неудач извлечь необходимый опыт для дальнейшего совершенствования аппаратов. И вот основные пункты, из-за которых ракеты Илона Маска совершают мягкую и точную посадку. Первое - это система охлаждения двигателей. Она должна быть намного эффективнее, чем у ракет-носителей. Ведь во время посадки ступень испытывает дополнительные перегрузки, когда входит в плотные слои атмосферы. Инженерами SpaceX данная проблема была решена за счет расположения по бокам ступени две капсулы с содержанием в каждой по четыре двигателя с системой охлаждения. Работа двигателей осуществляется на жидком азоте. Также они помогают контролировать положение ракеты в пространстве, регулируя центр массы, и управляют ракетой, когда основные двигатели отключены. Второе - это применение двигателей, обладающих функцией повторного зажигания. После отделения от ракеты-носителя, ступени должны пройти три этапа торможения, на каждом из которых двигатель необходимо запускать заново. Это является основным критерием плавной посадки. Двигатели SpaceX могут быть повторно запущены как в условиях безвоздушного пространства, так и на малых высотах, обеспечивая мягкую посадку.

Третье - это применение предельно-точной навигационной системы, которая позволяет точно определить как положение ракеты в пространстве, так и положение самой посадочной площадки. Инерционная навигационная система INS вместе с системой GPS позволяют ступеням правильно определить свои координаты, а при малейшем отклонении от курса, автоматически отрегулировать траекторию посадки. Четвертое - это оснащение ступеней ракеты управляемой гидравликой и системами контроля вектора тяги. Если INS и GPS не дают сбиться с курса и контролируют траекторию, то эти системы непосредственно контролируют положение ракеты в пространстве за счет создания реактивной тяги. Особенно эффективно это в безвоздушном пространстве, где использовать крылья для корректировки не представляется возможным. Пятое - это применение специальных четырех посадочных ног, выполненных из сверхпрочного углеродного волокна и алюминия. Они выступают также в качестве амортизаторов при приземлении. Общая длина своеобразного "шасси" составляет 18 метров, а вес всей системы составляет около 2 тонн. И шестое - это применение, малозаметных на первый взгляд, системы титановых сеток. Четыре сетки, развертываемые в верхней части ступени, являются аэродинамическими управляющими поверхностями, которые позволяют более точно контролировать вход ракеты в атмосферу. И именно благодаря им ракета получила возможность попадать в двадцатиметровую посадочную зону с высоты 100 километров.

Совместное использование перечисленных систем, технологий и опыт, полученный после неудачных посадок, позволяют SpaceX сажать свои ракеты с такой необычайно точностью. Технология управляемой посадки первой ступени ракеты-носителя является одним из ключевых достижений ракетостроения, изменив коренным образом подход запуска пилотируемых аппаратов в космос. Также, снижение себестоимости запусков делает возможным увеличить количество полетов и положить начало новой эры освоения и колонизации космоса. Надеюсь мы доживем до этого дня, когда человек начнет колонизировать Марс! И надеюсь, все-таки, первым человеком, ступившим на Марс, будет из России!

Почему SpaceX Илона Маска вообще сажает ступени? Почему не используются парашюты? Почему иногда посадка производится на сушу, иногда на плавучую баржу, а иногда вообще не производится? Тему возвращаемых ракетных ступеней окружает очень много таких вот “Почему”. И сегодня мы, Alpha Centauri, разберём большинство из них.Итак, первый вопрос, который приходит в голову: зачем вообще нужно сажать и повторно использовать ракетные ступени? Вы наверняка уже много раз слышали о том, что это позволяет удешевить запуски и сделать космос более доступным. Такая себе забота о заказчике. Но на самом деле в вопросе есть не только идеологическая и пиар–составляющая. А гораздо более весомая экономическая. Оператор пусковых услуг, имеющий возможность управлять стоимостью запусков, всегда будет в выигрыше. А многоразовость позволяет ещё и более гибко управлять частотой запусков. Так что получается двойной выигрыш.

Стоимость полностью новой ракеты Falcon 9, а точнее её пуска, — около 62 миллионов долларов. Давайте посмотрим на эту цену наглядно:

Первая ступень. Новая, она стоит около 40 миллионов долларов
Вторая ступень. Её стоимость — 12 миллионов
Головной обтекатель, ещё 6 миллионов сверху
Горючее и окислитель — пара сотен тысяч долларов
Всё остальное — обслуживание и прибыль компании

Как видим, первая ступень вместе с обтекателем составляют почти три четверти стоимости ракеты. Причём следует понимать, что весомая часть стоимости первой ступени — это девятка двигателей Merlin 1–D. На второй ступени движок всего один.

Зачем вообще нужна вторая ступень и почему одной никак не обойтись — смотрите в нашем видео “проклятье одноступенчатых ракет”:

Сама по себе жидкостная ракетная ступень — это просто большой цилиндр для подачи топлива в двигатели.

Так вот, давайте проведем очень упрощённые математические подсчёты. Допустим, у нас есть целая одна ракета, первую ступень которой мы можем вернуть и повторно использовать 10 раз.

Таким образом для каждого нового запуска нам нужны новая вторая ступень, топливо и головной обтекатель. Ну и обслуживание плюс прибыль. То есть примерно 22 миллиона долларов.

Умножим 22 миллиона на 10 пусков и добавим стоимость первой ступени. Даже от фонаря докинем к ней по миллиону за каждое обслуживание.

Получается 22 x 10 + 40 + 10 = 270 миллионов долларов, суммарная стоимость десяти запусков с одной и той же ступенью. А теперь стоимость тех же десяти стартов, но в случае новой ракеты на каждом:

62 x 10 = 620 миллионов долларов.

Я напомню, что это очень грубые расчёты, они необходимы только для понимания идеи. Из двух компаний, одна из которых вынуждена каждый раз строить новую ракету, а вторая — использует ступени повторно, вторая может позволить себе продавать запуски почти в два раза дешевле. Для сохранения прибыли она может позволить себе цену в 28–30 миллионов долларов, в то время как конкурент может играться в демпинг только пока запуск окупается : а это около 60 миллионов долларов. Запуск одного Протона стоит 65 миллионов долларов, самой тяжёлой версии Ariane 5 — 150 миллионов евро, а старты Delta IV Heavy оцениваются от 160 миллионов долларов.

Поэтому вопрос многоразового использования — это в первую очередь вопрос контроля рынка. Ниже себестоимость — выше возможности управления ценой. Буквально за пять лет SpaceX благодаря гибкости ценообразования практически вывела с рынка коммерческих запусков Роскосмос и серьёзно отъела потенциальных клиентов у Европейских и американских конкурентов, Arianespace и United Launch Alliance.

Но и здесь деньги сами по себе не являются главной целью компании. Как вы знаете, SpaceX сейчас активно занимается выведением на орбиту собственной группировки спутников Starlink. Она позволит покрыть всю планету постоянным качественным соединением. Однако для размещения на низкой околоземной орбите нужны сотни аппаратов, в идеале — даже тысячи! И при возможности вывести всего 60 спутников за раз запланированный минимум в 12 000 аппаратов потребует целых двести запусков. Поэтому максимальное удешевление одного запуска просто необходимо. Обанкротившийся недавно конкурент Starlink, компания OneWeb, которая должна была обеспечить заказами Роскосмос, не даст соврать.

Подведём промежуточный итог. Если вашей целью является запуск пары десятков тысяч спутников и контроль за рынком запусков, вам просто необходим дешёвый носитель и запас в стоимости для демпинга. Именно два этих компонента можно назвать причиной, почему SpaceX вообще взялась за многоразовость.

Хорошо. Как мы знаем, первые ступени Falcon 9 и блоки первой ступени Falcon Heavy совершают реактивную посадку, то есть замедляются до нулевой скорости при помощи реактивной струи из двигателей. Также должна садиться и будущая ракета Starship, испытания её базового прототипа под названием Starhopper мы наблюдали в прямом эфире. Но почему не использовать самый очевидный способ возврата ступени, парашют?

Этот вопрос, кстати, нам продолжают задавать во время прямых трансляций до сих пор. На самом деле здесь в работу вмешиваются три основных фактора.

Зависимость от погодных условий тоже никто не отменял: сильный порывистый ветер будет уносить ступень далеко от предполагаемого места падения, а сегодняшние метеорологические возможности не позволяют точно предсказать куда именно должна будет приземлиться наша ракета. Да, иногда запуски Falcon 9 переносят из–за плохой погоды около баржи, но всё–таки реактивная посадка оставляет больший диапазон подходящих погодных условий.

Ну и грустный опыт Шаттлов, да и самих “Фэлконов”, показывает, что приводнение в солёную воду океана может серьёзно навредить электронике. При этом возникнут трудности с быстрым повторным использованием ступени, что противоречит заявленным планам компании в виде возможности повторных запусков в течение одних суток после возврата.

Есть конечно и другой способ использовать парашют, предложенный компанией Rocket Lab, но о нём мы поговорим позже. На деле же если вы всерьёз собираетесь возвращать первые ступени своей тяжёлой ракеты–носителя, реактивная посадка является очевидным, самым удобным и самым надёжным способом.

Ну окей, допустим, мы в ракетной компании решили, что нам нужны многоразовые первые ступени. И что их посадка будет реактивной. Давайте теперь выясним, что они должны “уметь”, какими свойствами обладать.

Чтобы ракета туда долетела, мы должны каким–то образом ею управлять, рулить. Здесь пригодятся движки ориентации и самые настоящие решётчатые рули, позволяющие стабилизировать и направлять ступень, взаимодействуя с потоками воздуха, особенно на сверхзвуковой скорости.

Ну и не стоит забывать об ещё одном важном моменте: для реактивной посадки ступени нам необходимо топливо, которое позволит зажигать двигатели. Здесь мы плавно переходим к следующему пункту.

Да, возврат ступени невозможен с пустыми баками. Нам всегда нужно оставить хоть немного топлива, чтобы выполнить на орбите и около поверхности определённые манёвры, о которых поговорим позже.

Falcon 9 — ракета тяжёлого класса, она способна выводить на различные орбиты довольно тяжёлые грузы. И возможность возврата ступени сама по себе зависит от двух переменных: параметров орбиты (высота, наклонение) и массы выводимой полезной нагрузки.

От массы зависит то, сколько топлива в секунду мы будем сжигать, ведь чем она больше, тем большая тяга необходима. А от орбиты зависит точка, в которой первая ступень окажется после отделения от второй.

Поэтому когда мы запускаем лёгкий груз на низкую околоземную орбиту с удачным наклонением, у нас остаётся много топлива, а путь к наземной посадочной площадке совсем небольшой, топлива вполне достаточно.

Как видите, даже в минимальном приближении посадка — комплексный и сложный процесс. Но мы ведь не можем не рассмотреть его более детально.

Итак, начинается всё в момент разделения ступеней. Тут нас ждёт небольшое количество англоязычных терминов. Мы конечно же поясним их смысл, но точных русскоязычных аналогов подобрать невозможно, потому что Роскосмос не занимается возвратом ракет. Рассмотрим сначала вариант возвращения к месту старта. Первая ступень активно маневрирует двигателями ориентации, чтобы уйти от пламени, вырывающемся из двигателя второй ступени. При этом первая ступень ещё и разворачивается. Включает 3 двигателя Merlin для выполнения Boostback burn — этап, который нужен для погашения и изменения направления горизонтальной компоненты скорости ступени. С вертикальной компонентой справится гравитация Земли, нет смысла тратить на неё топливо. Поэтому при возврате к месту старта первая ступень подлетает вверх.

Перед входом в плотные слои атмосферы выполняется Reentry burn: три двигателя зажигаются ещё раз. Ведь перед ступенью, двигающейся на сверхзвуковой скорости образуется ударная волна, в которой воздух сжимается. Из–за этого повышается его температура. Если ступень будет двигаться слишком быстро, то воздух ударной волны может её перегреть, несмотря на имеющуюся жидкостную систему охлаждения.

Во–первых, сама по себе точка посадки. Если речь о суше, то всё понятно: необходимая координата просто находится в центре посадочной площадки. Но как быть с посадкой в океане?

А она тоже точно рассчитана и предопределена! Вопреки расхожему мнению, ступень не летит к дрейфующей плавучей барже. Она направляется в заранее заданную координату, идеальную в плане затрат топлива, в то время как баржа со своей стороны автономно и без управления человеком должна удерживать собственный центр в этой координате. На высоте около 10 километров в работу активно вступает радар на первой ступени: он помогает точно определить, где находится баржа, совпадают ли её координаты с координатами точки посадки и хватает ли топлива для самой посадки. Если что–то идёт не так, ступень автоматически направляется в океан и пытается мягко сесть на его поверхность, чтобы не повредить осколками от возможного взрыва платформу.

Если всё в порядке, начинается завершающий этап.

При подлёте к барже выполняется последнее зажигание двигателей, Landing Burn. Причём рассчитано оно так, чтобы торможение было идеальным и ступень снизила скорость до нулевой ровно в момент касания платформы. Это позволяет избежать удара и подпрыгиваний во время волнения на воде. Хотя удаётся не всегда. Выдвигаются посадочные опоры, которые позволяют мягко сесть, на случай немного жёсткой посадки в опорах есть специальные картриджи, которые, сминаясь, гасят энергию удара…

А затем ступень фиксируется прибывшим персоналом при помощи цепей. При этом у SpaceX есть специальный управляемый удалённо робот OctaGrabber: он должен фиксировать ускоритель при помощи гидравлических домкратов.

Так что в отличие от той же малютки Blue Origin New Shepard, Falcon 9 не зависает над посадочной площадкой: она действительно максимально плавно тормозит до нуля метров в секунду.

Кстати, о Blue origin и прочих конкурентах. Ролик–презентации ракеты New Glenn удивил многих любителей космоса именно тем, что там ступень садится прямо на плавучую платформу во время движения. Обеспечить такую посадку гораздо труднее, поэтому, несмотря на утверждения представителей Blue Origin, будто эта посадка будет более стабильной, я склонен думать, что пока это просто неграмотная анимация, а не реальные планы компании Джеффа Безоса. Скорее всего, New Glenn будут садиться по той же схеме, что и Falcon 9 с Falcon Heavy. Первый полёт ракеты этого семейства запланирован на следующий год, а вот о посадках, помимо того, что они в принципе будут, ничего не известно.

Rocket Lab, которую мы сегодня уже упоминали, планируют другой способ: её лёгкая Electron из углепластика вполне может спускаться на парашютах, правда (помните о вреде солёной воды) не в океан. Парашют должен будет подхватываться специальным вертолётом, который затем мягко опустит ступень на специальное судно. Затея опасная и пока труднопредставимая, но уже в ближайших запусках компания Питера Бека займётся испытаниями этой системы. Зрелище будет очень классное, мы обязательно покажем его в прямых эфирах, которые регулярно проводим на канале. К слову, в марте компания уже успела поймать массогабаритный макет ступени в полёте. Выглядит завораживающе:

Подобный рокетлабовскому подход предлагают и американские конкуренты Илона Маска, United Launch Alliance, только их концепт предполагает возвращение одного двигательного отсека, а не всей ступени. Правда об испытаниях и приблизительных сроках пока ничего не слышно.

О важности многоразовых систем заговорили Европейская Арианспейс и российский Роскосмос, но дальше слов дело тоже пока что не заходило.

Так что ближе всего к реализации многоразовых проектов на момент записи этого ролика, весну 2020–го года, находятся Rocket Lab и Blue Origin. И… сама SpaceX, чей Starship потихоньку строится в виде полноразмерных прототипов и активно готовится к прыжкам на несколько километров.

Система посадки этого летательного средства будет аналогична той, что используется в Falcon 9. Только посадка будет всегда на сушу: мощности системы Starship–Superheavy по планам должно быть достаточно для выведения любых адекватных нагрузок на любую орбиту и возврата “домой” на остатках топлива. Сама “первая ступень” системы, ракета SuperHeavy в будущем должна садиться прямо на стартовый стол, но в первых пусках во избежание аварий будет осуществлять посадку на специальных площадках при помощи опор вроде тех, что есть у Falcon 9.

Но обо всём этом нам только предстоит узнать.

Если же говорить о делах насущных, Falcon 9 — единственная многоразовая ракета. Да, пока мы не знаем, сколько раз она действительно может слетать повторно, во сколько именно обходится межполётное обслуживание, но оно точно дешевле, чем производство полностью новой ступени. А значит, SpaceX верно идёт к своей цели.

Пятничному успешному полету Falcon 9 предшествовал также успешный полет этой ракеты в декабре с приземлением первой ступени ракеты на мысе Канаверал. Еще ранее, в июне, была предпринята попытка посадить возвращаемую первую ступень Falcon на морскую платформу, но тогда ракета взорвалась в воздухе в результате разрушения одного из элементов конструкции двигателя. После этой катастрофы разработчики изменили процедуры контроля качества. До этого несколько попыток посадки ракеты на морскую платформу оказывались неудачными либо из-за сбоя в механизме выдвижения поддерживающих опор, либо из-за чрезмерного наклона опускающейся ракеты относительно посадочной площадки.

SpaceX развивает технологии посадки многоразовых ракет на плавучие платформы, хотя у этого варианта есть ряд технических трудностей. Главное преимущество использования морских платформ – сокращение заключительной фазы полета первой ступени: аппарату не надо достигать космодрома во Флориде. Соответственно, обеспечивается экономия топлива и повышение шансов на успешное маневрирование при посадке.

Гуинн Шотуэлл, операционный директор SpaceX, заявила в марте, что использование многоразовых ракет позволяет сэкономить до 30% себестоимости, при том что старт Falcon и так обходится дешевле, чем старт ракет производства ULA. Для космических программ США себестоимость играет огромную роль. Ракеты SpaceX по заказу НАСА доставляют грузы на Международную космическую станцию с 2010 г. В прошлом году компания Маска получила право участвовать в тендерах на осуществление запусков космических аппаратов военного назначения – прежде монополия в этой сфере принадлежала ULA.

Успехи SpaceX и Blue Origin повышают интерес инвесторов к коммерческой космонавтике. В прошлом году отрасль получила финансирование примерно на $2 млрд.

Читайте также: