La fusée atterrit. Comment un vaisseau spatial atterrit en descendant de l'orbite et avec quelle précision il peut atterrir. Atterrissages ultra-précis ou "technologie perdue" de la NASA

Certains d'entre vous ont suivi la tentative passée de faire atterrir verticalement le premier étage de notre fusée Falcon9 sur terre. Il y a eu une tentative en janvier et la suivante en avril. Ces tentatives nous ont fait avancer vers notre objectif de créer un système de fusée rapide et entièrement réutilisable qui réduira considérablement le coût du transport spatial. Le coût d'un avion de passagers est à peu près égal au coût d'une de nos fusées Falcon 9, mais les compagnies aériennes ne mettent pas à la casse un avion après un vol de Los Angeles à New York. En ce qui concerne les voyages dans l'espace, les fusées ne volent qu'une seule fois, même si la fusée elle-même est la plus chère dans le coût total de lancement. La navette spatiale était théoriquement réutilisable, mais elle avait un énorme réservoir de carburant qui était éjecté après chaque lancement. Et ses boosters latéraux parachutés dans l'eau salée, ce qui les corrodait à chaque fois. Il a fallu entamer un long processus de restauration et de transformation. Et si nous pouvions atténuer ces facteurs en faisant atterrir la fusée doucement et avec précision au sol ? Le temps et le coût de récupération seraient considérablement réduits. Historiquement, la plupart des fusées ont dû utiliser tout leur approvisionnement en carburant disponible pour transporter leur charge utile dans l'espace. Les fusées SpaceX ont été conçues dans un souci de réutilisation dès le départ. Ils ont suffisamment de carburant pour transporter le vaisseau spatial Dragon jusqu'à la station spatiale et ramener le premier étage sur Terre. L'alimentation supplémentaire en carburant est nécessaire pour plusieurs démarrages supplémentaires du moteur, pour le freinage de la fusée et, finalement, pour l'atterrissage du premier étage. En plus d'une capacité de carburant accrue, nous avons ajouté quelques fonctionnalités importantes pour rendre le premier étage de notre Falcon 9 réutilisable. Des propulseurs d'attitude à gaz comprimé situés au sommet du premier étage sont utilisés pour faire tourner la fusée à 180 degrés avant de commencer le voyage de retour vers la terre. Ainsi que des perches d'atterrissage en fibre de carbone solides mais légères qui se déploient juste avant l'atterrissage. Tous ces systèmes, construits et programmés par l'homme, fonctionnent en mode entièrement automatique dès le lancement de la fusée. Ils réagissent et s'adaptent à la situation en fonction des données en temps réel reçues par la fusée elle-même.

Alors, qu'avons-nous appris des tentatives d'atterrissage passées du premier étage ?

La première tentative d'atterrissage sur une plate-forme flottante automatisée au milieu de l'océan Atlantique remonte à janvier, alors que nous étions déjà proches de la cible, le premier étage a manqué prématurément de liquide hydraulique utilisé pour contrôler les petites ailes stabilisatrices qui aident à contrôler la descente de la fusée. Nous équipons maintenant la fusée d'un approvisionnement beaucoup plus important de ce fluide hydraulique critique. Notre deuxième tentative a eu lieu en avril et encore une fois, nous sommes passés très près du but. Dans la vidéo complète de l'atterrissage, vous pouviez voir la scène tomber dans l'atmosphère à une vitesse supérieure à la vitesse du son, jusqu'à l'atterrissage. Cette descente contrôlée a été complètement réussie, mais environ 10 secondes avant l'atterrissage, la soupape de commande de poussée du moteur-fusée a temporairement cessé de répondre aux commandes à la vitesse requise. En conséquence, il a coupé le courant quelques secondes après l'arrivée de la commande. Pour une fusée pesant 30 tonnes et une vitesse proche de 320 km / h, quelques secondes représentent une période de temps vraiment importante. Avec une puissance presque maximale, le moteur a fonctionné plus longtemps qu'il n'aurait dû, ce qui a fait perdre le contrôle de la voiture et ne s'est pas stabilisé au moment de l'atterrissage, ce qui l'a fait se renverser. Malgré un basculement dans les dernières secondes, cette tentative d'atterrissage s'est déroulée à peu près comme prévu. Immédiatement après la séparation des étages, lorsque le deuxième étage quitte le premier étage et se précipite, mettant le Dragon en orbite, les propulseurs d'attitude se déclenchent correctement, faisant pivoter le premier étage pour revenir. Trois moteurs se sont alors allumés pour une manœuvre de freinage qui a ralenti le missile et l'a dirigé vers le site d'atterrissage. Les moteurs ont ensuite été redémarrés pour ralentir avant de rentrer dans l'atmosphère terrestre, et les grilles de stabilisation (cette fois avec beaucoup de fluide hydraulique) ont été libérées pour se diriger en utilisant la traînée atmosphérique. Pour un objet volant à une vitesse de Mach 4, l'atmosphère terrestre sera perçue comme volant à travers du lait condensé. Les stabilisateurs en treillis sont essentiels pour un ajustement précis. Le lancement final des moteurs et de tous les systèmes ensemble a été effectué - les moteurs d'orientation et les grilles de stabilisation contrôlaient le mouvement de la fusée, en maintenant la trajectoire à moins de 15 mètres de celle prévue, pendant tout le temps. Les jambes de l'engin ont été tirées juste avant que la fusée n'atteigne la plate-forme flottante "Just Read the Instructions", sur laquelle la scène a atterri à moins de 10 mètres du centre, bien qu'il soit difficile de rester debout. L'analyse après vol a confirmé que la soupape de poussée était la seule cause de cet atterrissage brutal. L'équipe a fait des ajustements pour prévenir et pouvoir résoudre rapidement des problèmes similaires lors de la prochaine tentative, le lancement de notre huitième mission Falcon 9 Dragon pour livrer des fournitures à la station spatiale, prévue ce dimanche. Même avec tout ce que nous avons appris, les chances d'une troisième tentative d'atterrissage réussie sur la plate-forme flottante automatisée (la nouvelle avec le nom "Bien sûr que je t'aime toujours") restent incertaines. Mais restez à l'écoute ce dimanche. Nous essaierons de faire un pas de plus vers des fusées rapides entièrement réutilisables.

De l'éditeur: il y a une opinion que l'article a été écrit par Elon Musk lui-même, car dans l'original, il contient des tours de parole caractéristiques de lui

A en juger par , bon nombre de mythes se sont accumulés sur le succès de l'astronautique privée américaine, tous ces atterrissages verticaux et autres percées. Je vais essayer de dissiper sur mes doigts ceux que j'ai rencontrés.

Mythe #1. L'atterrissage vertical d'une fusée est quelque chose que personne n'a fait, c'est une percée technique !

Non, tout cela n'est qu'une combinaison de bien connu et éprouvé dans les années 60 et 70les technologies.
Auparavant, les étapes n'étaient pas posées comme ça, car personne n'en avait besoin en raison de l'absurdité technique évidente de l'idée.
Comme cette blague sur l'insaisissable cow-boy Joe.

En principe, un processus similaire, par exemple, a eu lieu lors des atterrissages sur la lune, mais pour une raison quelconque, cette analogie n'impressionne pas les citadins - ils disent "c'est une chose une figovinka compacte, mais ici une telle tour est en équilibre sur le feu!" "

Bon, regardons les tours.

L'ensemble du processus de récupération de l'étage après la séparation de la fusée peut être divisé en trois étapes.

Commençons par la dernière, la plus apparemment spectaculaire et frappante l'imagination d'un public techniquement analphabète.

Je dirai une chose étonnante à quelqu'un, maisl'atterrissage vertical d'une fusée est, du point de vue de la mécanique, presque identique au décollage. Absolument les mêmes mécanismes, forces et dispositifs sont impliqués, exactement sur le même mode. Vous décollez ou atterrissez - vous avez tous les mêmes deux forces - la poussée du moteur et la gravité. Lors de la décélération/accélération, la force d'inertie s'ajoute simplement à la force de gravité. Tout.

Lorsqu'une fusée décolle, elle se comporte et s'équilibre exactement comme si elle atterrissait.

Mais qu'est-ce qui est marrant :
pour une raison quelconque, le décollage des roquettes ne frappe en aucune façon les habitants de la ville. Déjà habitué.

Et exactement le même processus, mais dans l'ordre inverse, provoque beaucoup de joie et de cris à propos de la révolution de l'astronautique.

Au cas où, j'ajouterai que la scène est encore plus facile à stabiliser - elle est presque vide, ce qui signifie que le centre de gravité est plus bas que celui d'une fusée de lancement.

Étape suivante - vol contrôlé dans l'atmosphère le long d'une trajectoire quasi-balistique jusqu'au site d'atterrissage- c'est encore une fois exactement ce que font les missiles de combat. Tous les missiles anti-aériens modernes volent de la même manière ou beaucoup plus froid.
À ce sujet, ils savaient comment faire, désolé, même le V-2 fasciste.
Encore une fois, la seule différence est qu'ils accélèrent, et celui-ci ralentit, halors du point de vue de la physique du processus ne change rien.

Le plus "difficile" en fait -la scène de la scène retour dans les couches denses de l'atmosphère. Il est nécessaire de protéger les réservoirs de la surchauffe, l'étage doit résister aux surcharges transversales. Mais ce sont aussi des problèmes résolus depuis longtemps, une question de technologie. Les propulseurs latéraux de la navette l'ont fait lors de leur retour (puis ils ont éclaboussé sur des parachutes), des vaisseaux spatiaux sortis, résistent généralement à des milliers de degrés lors de leur entrée dans l'atomsphère.

Pourquoi y a-t-il tant d'accidents lors de l'atterrissage à Falcon ? Mais le fait est que Musk essaie évidemment d'atterrir sur scène avec une consommation de carburant minimale pour stabiliser la scène avant d'atterrir. De là naît une loterie avec le vent, avec la précision de frapper - mais c'est une complexité technique créée artificiellement. Il est créé en raison du fait que la méthode de retour de l'étage de fusée elle-même a un fort impact sur la charge utile lancée en orbite, ils essaient donc d'économiser du carburant "d'atterrissage".

Mythe #2. Que ça ne marche pas encore - c'est normal, Musk crée de nouvelles technologies, une toute nouvelle industrie : les moteurs réutilisables, etc. !

Non, Musk n'a rien créé de nouveau du tout, c'est le point.
Il reproduit banalement, répète les vieux développements des années 60-70. Des moteurs réutilisables ont été élaborés à la fois en URSS et aux États-Unis dans les années 70. La navette a volé avec des moteurs réutilisables.

Pire, le moteur-fusée Merlin, qui équipe le Falcon, a des caractéristiques plutôt moyennes.
Il est relativement peu puissant et primitif, son impulsion spécifique (282 s) est nettement inférieure à celle, par exemple, de notre RD-180 (311 s).
Et l'impulsion spécifique est la principale caractéristique d'un moteur-fusée, montrant avec quelle efficacité il convertit l'énergie du carburant en une impulsion de traction.
L'étranglement (contrôle de traction) pour Merlin a été copié du moteur lunaire.
Le vaisseau spatial Dragon est simplement une refonte de l'ancien Apollon, avec tous ses défauts et le sien en plus.
Il est le même jetable, se trouve dans la mer et n'a même pas de port d'amarrage.

Avec tout cela, Musk reçoit de la NASA , sous des promesses vides qu'à l'avenir, il réduira radicalement le coût de tout. Peut-être. Un jour. Si la NASA veut.

Oh vraiment? Falcon 9 a volé pour la première fois en 2010. Depuis lors, il a été lancé plus de 20 fois.
L'époque des premiers lancements expérimentaux est révolue depuis longtemps - et d'ailleurs, elle a été en partie financée par la NASA.
Musk a reçu une subvention COTS de 400 millions de dollars pour développer le Falcon.

Dans le cadre de ce programme, le Falcon-9 a effectué deux vols de démonstration (en 2010 et 2012) et a déjà été admis au ravitaillement régulier de l'ISS dans le cadre du programme CRS. Le premier vol dans le cadre de ce programme d'une valeur de 1,6 milliard a eu lieu en 2012.
C'est tout, depuis lors, des Falcon de série volent sur l'ISS depuis 4 ans avec des modifications mineures, qui ne nécessitent évidemment pas de tests / certification spéciaux. Et pour une raison inconnue, ces vols ont coûté beaucoup plus cher à la NASA que les lancements de la navette à l'époque, si vous comptez la masse de la cargaison livrée.

Mythe 4. Musk fait au moins quelque chose de nouveau, mais le putain de Russe n'est rien et seulement jaloux

C'est-à-dire construire un port spatial à part entière, développer et lancer avec succès de nouvelles fusées légères et lourdes - cela s'appelle-t-il rien?En général, vous pouvez lister longtemps, c'est plus facile au moins

Ascension difficile et dangereuse dans l'espace extra-atmosphérique, mais peut-être pas moins difficile est le retour sur Terre. Tous ceux qui regardent le vol souhaitent aux astronautes un atterrissage en douceur. "Soft" signifie que le véhicule de descente du vaisseau spatial doit atterrir à une vitesse ne dépassant pas 2 m/s. Ce n'est qu'alors que la conception de l'appareil, des instruments qu'il contient et, surtout, que les membres de l'équipage ne subissent pas de coup dur.

Pour ce faire, vous devez ralentir l'appareil - enlevez toute l'énergie. Comment faire cela sans endommager l'appareil lui-même? KE Tsiolkovsky, réfléchissant à cette question, a décidé d'utiliser la possibilité de décélération du vaisseau spatial par la coque aérienne de la Terre. Se déplaçant à une vitesse de 8 km/s, l'engin spatial ne tombe pas sur Terre. La première étape de descente est la mise en marche du moteur de freinage pendant une courte durée. La vitesse diminue de 0,2 km/s et la descente commence immédiatement.

La première étape consiste à désancrer le compartiment orbital et le système de propulsion de freinage. Et faites-le très rapidement. Avant même d'entrer dans les couches denses de l'atmosphère, il est nécessaire de faire tourner le véhicule de descente pour qu'il pénètre dans l'océan aérien sous un angle strictement défini. La trajectoire de descente doit être telle que les membres d'équipage subissent un poids supérieur à 4 fois leur propre poids corporel. Est-il possible de choisir une trajectoire plus plate pour que la charge soit moindre ? Il s'avère que non.

Car, en plus de la surcharge, un danger encore plus grand pour le navire et les astronautes est la surchauffe lorsque l'appareil est ralenti par l'atmosphère. Une descente abrupte entraîne une plus grande surchauffe de la coque, mais elle réduit le temps de vol : l'appareil atteindra la Terre avant que la chaleur grésillante ne pénètre à l'intérieur. Les parois de la caisse du véhicule de descente sont en alliage léger d'aluminium, l'extérieur est recouvert d'une coque de protection à haute résistance mécanique et isolation thermique en matériau polymère. Un fort échauffement conduit à une évaporation lente du matériau. Le flux d'air venant en sens inverse réchauffe progressivement la couche de protection thermique. La température à la surface de l'appareil est proche de 300°C.

En descendant, les astronautes voient à travers le hublot une mer de feu déchaînée, apprivoisée de manière fiable par la protection thermique. Au fur et à mesure qu'il pénètre dans des couches de plus en plus denses de l'atmosphère, la vitesse de l'appareil diminue. Lorsqu'elle descend à 250 m/s, le système de parachute composé de deux parachutes principaux et d'un parachute auxiliaire est activé. L'un des parachutes principaux s'appelle un frein, il est jeté à l'aide d'une petite explosion - un pétard. La deuxième main est plus grande que la première, elle permet un atterrissage en douceur. Pour un atterrissage en douceur, un autre moyen est utilisé: un système de propulsion d'atterrissage en douceur, il crée une contre-poussée et l'appareil atterrit à la vitesse requise - pas plus de 2 m / s.

Il y a aussi d'autres situations. Passant près du Soleil, la comète de Taylor s'est scindée en deux parties. Les deux fragments ont acquis leurs propres queues, mais, s'éloignant de notre lumière du jour, n'ont jamais été revus. Souvent, divers "problèmes" arrivent aux voyageurs célestes loin de nos yeux, par exemple après avoir rencontré le géant Jupiter. Sa gravité modifie tellement les orbites des comètes qu'elles partent...

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L'ascension dans l'espace extra-atmosphérique est difficile et dangereuse. Mais c'est encore la moitié de la bataille. Il n'en est pas moins difficile et dangereux de revenir sur Terre. Pour que l'atterrissage soit en douceur et en toute sécurité, les astronautes doivent atterrir sur le véhicule de descente à une vitesse ne dépassant pas 2 m/s. Ce n'est qu'ainsi que nous pourrons dire que ni les astronautes ni l'équipement ne ressentiront un coup dur.

Réaction atmosphérique

L'entrée d'un avion dans l'atmosphère s'accompagne de phénomènes qui ne peuvent être imités lors de la préparation des astronautes au vol. De nombreux films fantastiques ont été réalisés sur le retour des astronautes sur Terre. Tout commence à environ 100 km. Plus loin du réchauffement de l'atmosphère, la protection thermique brûle. La vitesse de descente de l'appareil est de 8 km/sec. Le passage à travers le plasma commence.

Très probablement, même les couleurs les plus vives ne pourront pas décrire comment les astronautes reviennent sur Terre et ce qu'ils ressentent à ce moment-là. Derrière le hublot, un spectacle de lumière se déroule. Tout d'abord, une lueur rose inhabituellement brillante se forme. Ensuite, le plasma clignote. À ce moment, le feu commence à brûler et divers types d'effets lumineux sont observés. C'est comme un feu autour d'un avion.

Sentiments des pilotes

Que peut-on comparer à la façon dont les astronautes reviennent sur Terre ? À quoi cela ressemble-t-il? Assis dans la capsule de descente, ils sont comme au cœur d'une météorite, d'où émanent des flammes d'une incroyable puissance. Le plasma clignote soudainement. Passé les hublots, les astronautes observent des étincelles dont la taille est comme le poing d'un homme bon. La performance au feu dure jusqu'à 4 minutes.

Parmi les films de science-fiction montrant des astronautes revenant sur Terre, le plus réaliste est Apollo 13. En volant à travers le plasma, à l'intérieur de la capsule, les astronautes entendent un fort rugissement. La protection frontale de l'appareil commence à se déchirer à cause d'une température de 2 000 degrés. À de tels moments, les astronautes pensent involontairement à une possible catastrophe. Je me souviens de la navette Columbia et de son drame en 2003, survenu précisément à cause de la combustion de la coque lors de la descente.

Freinage

Une fois le plasma laissé derrière, le véhicule de descente commence à se tordre sur les lignes de parachute. Il se balance dans tous les sens à 360°. Et ce n'est qu'après avoir survolé les nuages ​​que les astronautes voient par les hublots les hélicoptères qui les rencontrent.

K. Tsiolkovsky a travaillé sur les problèmes de décélération de l'avion de descente. Il a décidé d'utiliser la décélération du vaisseau sur la coque aérienne de la Terre. Lorsque le navire se déplace à une vitesse de 8 km/s, le premier étage de freinage est activé pendant une courte durée. Sa vitesse diminue à 0,2 km/s. La descente commence.

Passé et présent

Il était une fois des astronautes de la NASA qui volaient sur des navettes (navettes). Ayant épuisé leur ressource, ces navettes ont trouvé leur place dans les musées. Aujourd'hui, les astronautes volent vers l'ISS. Avant de commencer la descente, le Soyouz est divisé en trois parties : un module avec des cosmonautes pour la descente, un compartiment instrument-agrégat et un compartiment ménage. Dans les couches denses de l'atmosphère, le vaisseau brûle. Les débris qui n'ont pas brûlé tomberont.

Les astronautes subissent les surcharges les plus fortes lors de l'atterrissage sur Terre, de plus, ils risquent de surchauffer l'appareil, car la température à la surface atteint 300 ° Celsius. Le matériau commence à s'évaporer lentement et, à travers les fenêtres, les pilotes voient une mer de feu déchaînée.

Ensuite, le parachute de freinage est éjecté à l'aide d'un squib. Le deuxième parachute est plus grand que le premier. Il faut adoucir l'atterrissage. Un système de propulsion à atterrissage en douceur est également utilisé, ce qui crée une contre-poussée.

Les systèmes d'atterrissage des astronautes sont aujourd'hui plus fiables qu'ils ne l'étaient dans un passé récent. Grâce à des développements automatisés modernes, les systèmes sont testés et débogués. La descente devient plus facile. Des vaisseaux spatiaux réutilisables ressemblant à d'énormes avions ont été développés. Ils atterrissent à l'aide de leurs moteurs sur des pistes d'atterrissage spéciales.

Le 23 novembre, la société aérospatiale privée d'Amazon, propriété de Jeff Bezos, Blue Origin, a effectué avec succès un atterrissage vertical pour la première fois de l'histoire après un vol suborbital du vaisseau spatial New Shepard et de la fusée BE-3.

Selon Bezos, l'atterrissage contrôlé est un processus très complexe et il a fallu plusieurs années à l'entreprise pour réussir. Le vaisseau spatial New Shepard, lors d'un vol d'essai, est monté à une altitude suborbitale d'un peu plus de 100,5 km, ce qui est suffisant pour une affirmation formelle de "vol dans l'espace" (la soi-disant ligne Karman passe à une altitude de 100 km).

Le développement du vaisseau spatial New Shepard et de son véhicule de livraison en orbite, la fusée BE-3, a commencé fin 2013. Le premier lancement a eu lieu en avril 2015, mais il a échoué - New Shepard s'est écrasé à l'atterrissage. Maintenant, en fait, il y a eu une percée dans l'industrie aérospatiale - il était possible de faire atterrir une capsule et une fusée détachable. Traditionnellement, les lanceurs spatiaux antérieurs n'étaient utilisés qu'une seule fois (ils se composent généralement de plusieurs étages qui, après la combustion du carburant, se séparent et brûlent dans des couches atmosphériques denses ou tombent au sol).

Blue Origin est l'une des nombreuses sociétés privées telles que SpaceX, Boeing, Virgin Galactic et XCOR Aerospace qui se font concurrence pour offrir des vols spatiaux commerciaux à leurs clients. Le concurrent Blue Origin - SpaceX d'Elon Musk - a déjà tenté à 3 reprises de faire atterrir son lanceur Falcon 9 sur une plateforme flottante, mais toutes les tentatives ont échoué. La raison principale de ces échecs est que le Falcon 9 est beaucoup plus puissant et plus lourd, c'est-à-dire qu'il est beaucoup plus difficile à atterrir. Mais c'est aussi un avantage de la fusée, puisqu'elle est capable de s'élever à une hauteur beaucoup plus grande. C'est pourquoi le Falcon 9 est désormais utilisé pour livrer du fret à la Station spatiale internationale.

Cependant, revenons au vol de l'appareil de Blue Origin. La fusée BE-3, qui emportait le vaisseau spatial New Shepard, a été lancée le 23 novembre à 11h21. Peu de temps après le lancement, la fusée s'est séparée du navire. Mais elle n'est pas tombée sur Terre, mais a atterri exactement sur le site d'atterrissage. Initialement, la fusée est tombée à une vitesse de 622 km/h, puis grâce à des nervures spéciales sur son corps, qui font office d'aérofreins et de guides de jour de vol, sa vitesse a été ralentie à 192 km/h, tandis que la fusée était orientée vers le site d'atterrissage. Et enfin, à une altitude de 1500 mètres au-dessus du site d'atterrissage, les moteurs se sont mis en marche, ralentissant la vitesse d'atterrissage. Pendant les 30 derniers mètres, la fusée est descendue à une vitesse de 7,1 km/h.

La capsule New Shepard a atteint une altitude maximale de 100,5 km tout en atteignant une vitesse de Mach 3,72 (4 593 km/h). Après son retour d'orbite, le vaisseau spatial (sans équipage) a atterri séparément à l'aide de parachutes.

L'humanité a toujours été obsédée par les étoiles, et nous présentons donc à votre attention ce qui peut être utilisé pour les voyages interstellaires.