Ракета приземляється. Як сідає космічний корабель, спускаючись з орбіти і як точно він може приземлятися. Надточні посадки або "втрачені технології" наса

Деякі з вас стежили за минулою спробою вертикальної посадки першого ступеня нашої ракети Falcon9 назад на землю. Була спроба у січні і наступна за нею у квітні. Ці спроби рухали нас уперед до нашої мети, зробити швидку та повністю багаторазову ракетну систему, яка суттєво знизить ціну космічних транспортувань. Вартість одного пасажирського літака приблизно дорівнює вартості однієї нашої ракети Falcon 9, але авіакомпанії не утилізують літак після одного польоту з Лос Анджелеса до Нью-Йорка. Що стосується космічних подорожей, то ракети літають лише один раз, навіть якщо сама ракета є найдорожчою в загальній вартості запуску. Спейс Шаттл був номінально багаторазовим, але мав величезний паливний бак, що викидається після кожного запуску. І його бічні прискорювачі приводялися на парашутах у солону воду, яка корозією руйнувала їх щоразу. Доводилося розпочинати тривалий процес відновлення та переробки. Що якщо ми змогли б пом'якшити ці фактори саджаючи ракету м'яко і точно прямо на землю? Час відновлення та вартість було б значно знижено. Історично склалося те, що більшості ракет потрібно було використовувати весь доступний запас палива для доставки корисного навантаження в космос. Ракети SpaceX із самого початку були спроектовані із задумом про багаторазове використання. Вони мають достатньо палива для доставки космічного корабля Dragon до космічної станції та для повернення першого ступеня на Землю. Зайвий запас палива потрібен для кількох додаткових включень двигуна, для гальмування ракети, і, зрештою, для посадки першого ступеня. На додаток до збільшеного запасу палива ми додали кілька важливих особливостей для багаторазового використання першого ступеня Falcon 9. У ракети є невеликі складні термостійкі решітчасті рулі-стабілізатори звані «Grid Fins», необхідні для управління першим щаблем під час падіння через всю земну атмосферу, починаючи з верхнього кордону. Двигуни орієнтації на спресованому газі, розташовані на верхівці першого ступеня, використовуються для розвороту ракети на 180 градусів перед початком подорожі назад на землю. А так само міцні, але легкі стійки з вуглеволокна, які розкриваються прямо перед приземленням. Всі ці системи, побудовані та запрограмовані людиною, працюють у повністю автоматичному режимі з моменту запуску ракети. Вони реагують і підлаштовуються під ситуацію, виходячи з даних, одержуваних самої ракетою у часі.

Отже, що ми усвідомили з попередніх спроб посадки першого ступеня?

Перша спроба посадки на автоматизовану плавучу платформу серед атлантичного океану була в січні, коли ми були вже близькі до мети, у першому ступені передчасно закінчився запас гідравлічної рідини, що використовується для управління невеликими крилами-стабілізаторами, що допомагають контролювати спуск ракети. Зараз ми оснащуємо ракету набагато більшим запасом цієї критично важливої ​​гідравлічної рідини. Наша друга спроба була у квітні, і ми знову підійшли дуже близько до мети. У повному відео посадки ви могли побачити, як ступінь падає в атмосфері зі швидкістю більшою, ніж швидкість звуку протягом усього шляху, аж до посадки. Цей контрольований спуск був повністю успішним, але приблизно за 10 секунд до посадки клапан, що контролює тягу ракетного двигуна, тимчасово перестав реагувати на команди з необхідною швидкістю. В результаті він скинув потужність на кілька секунд після надходження команди. Для ракети вагою в 30 тонн і швидкістю близькою до 320 км/год пара секунд це справді значний відрізок часу. З потужністю на рівні майже максимальному двигун пропрацював довше, ніж повинен був, через це машина втратила контроль і не змогла вирівнятися на момент посадки, внаслідок чого і перекинулася. Незважаючи на перекидання на останніх секундах, ця спроба посадки пройшла значно так, як і планувалося. Відразу після поділу щаблів, коли другий ступінь залишає перший позаду і мчить далі, доставляючи Dragon на орбіту, двигуни орієнтації спрацювали правильно, розгорнули перший щабель повернення назад. Потім три двигуни запалилися для гальмівного маневру, що сповільнив ракету і направив її у напрямку посадки. Потім двигуни включилися знову для уповільнення перед входженням у земну атмосферу, і решітки-стабілізатори (на цей раз із достатнім запасом гідравлічної рідини) були випущені для управління, використовуючи опір атмосфери. Для об'єкта, що летить зі швидкістю 4 Махи, земна атмосфера сприйматиметься як політ через згущене молоко. Гратчасті стабілізатори мають важливе значення для точної посадки. Було здійснено фінальний запуск двигунів і всі системи разом — двигуни орієнтації та грати-стабілізатори керували рухом ракети, зберігаючи траєкторію в межах 15 метрів від запланованої протягом усього часу. Стійки апарату були випущені прямо перед тим, як ракета досягла плавучої платформи "Just Read the Instructions", на яку ступінь приземлилася в межах 10 метрів від центру, хоча і було складно залишатися у вертикальному положенні. Післяполітний аналіз підтвердив, що клапан тяги був єдиною причиною цієї жорсткої посадки. Команда зробила поправки для запобігання та можливості швидко виправити подібні проблеми під час наступної спроби, запускаючи наш восьмий Falcon 9 з місією з доставки припасів на космічну станцію кораблем Dragon, намічену на цю неділю. Навіть з огляду на все, що ми дізналися, шанси на успішну третю спробу посадки на автоматизовану плавучу платформу (нову під назвою “Звичайно, я все ще люблю тебе”) залишаються невизначеними. Але слідкуйте за новинами цієї неділі. Ми спробуємо стати на один крок ближче на шляху до швидких, повністю багаторазових ракет.

Від редакції: є думка, що статтю написав сам Ілон Маск, бо в оригіналі в ній присутні мовні обороти, характерні для нього

Міф №1. Вертикальна посадка ракети – це те, що ніхто не робив, це технічний прорив!

Ні, все це просто комбінація давно відомих та відпрацьованих ще у 60-х, 70-х рокахтехнологій.
Раніше щаблі так назад не приземляли, тому що це нікому не було потрібно через явну технічну абсурдність витівки.
Як у тому анекдоті для невловимого ковбоя Джо.

У приципі схожий процес, наприклад, відбувався при посадках на Місяць, але ця аналогія чомусь не справляє враження на обивателів - вони кажуть "одна справа компактна фіговинка, а тут така вежа на вогні балансує!"

Гаразд, розглянемо вежі.

Весь процес повернення щаблі після поділу ракети можна розбити на три етапи.

Почнемо з останнього, найочевиднішого і вражаючого уяву технічно безграмотної публіки.

Я скажу дивовижну річ для когось, алевертикальна посадка ракети це з погляду механіки практично те саме, що і зліт. Задіяні абсолютно ті ж механізми, сили та прилади, рівно в тому ж режимі. Злітаєте ви або сідаєте - у вас є ті самі дві сили - тяга двигуна і сила тяжіння. При уповільненні/прискоренні до тяжкості просто додається сила інерції. Всі.

Коли ракета злітає - вона веде себе і балансує так само, якби вона сідала.

Але що цікаво:
зліт ракет чомусь не вражає обивателів. Звикли вже.

А такий самий процес, але у зворотному порядку у всіх викликає масу захоплення і верещання про революцію в космонавтиці.

Про всяк випадок додам, що ступінь навіть простіше стабілізувати - він же майже порожній, значить центр тяжіння нижче ніж у ракети, що стартує.

Наступний етап - керований політ в атмосфері навколобалістичної траєкторії до місця посадки- це знову власне те, що роблять бойові ракети. Так чи набагато крутіше літають усі сучасні зенітні, авіаційні ракети.
Приблизно так уміли робити, пардон, ще фашистські Фау-2.
Знову різниця лише в тому, що ті розганяються, а ця гальмує,то з погляду фізики процесу нічого не змінює.

Найскладніший насправді -етап повернення щаблі в щільні шари атмосфери. Потрібно захищати баки від перегріву, ступінь має витримувати поперечні навантаження. Але це також давно вирішені завдання, справа техніки. Бічні прискорювачі Шаттлов таке робили при поверненні (потім вони приводялися на парашутах), космічні кораблі он взагалі витримують тисячі градусів при вході в атомсферу.

Чому ж стільки аварій під час посадки у Фалькона? А річ у тому, що Маск явно намагається посадити щабель за мінімальних витрат палива на стабілізацію щаблі перед посадкою. Звідси виникає лотерея з вітром, з точністю влучення - але це штучно створена технічна складність. Вона створюється через те, що сам метод ракетного повернення ступеня сильно б'є по корисному навантаженню, що виводиться, на орбіту, от і намагаються економити "посадкове" паливо.

Міф №2.Нехай поки що не виходить - це нормально, Маск створює нові технології, цілу нову галузь: багаторазові двигуни і т.д.!

Ні, Маск не створив взагалі нічого нового, в тому й річ.
Він банально відтворює, повторює старі напрацювання 60-70-х років. Багаторазові двигуни були відпрацьовані і в СРСР, і в США ще в 70-х. Шаттл літав із багаторазовими двигунами.

Найгірше - ЖРД "Мерлін", який стоїть на Фальконі - має досить середні характеристики.
Він відносно малопотужний і примітивний, його питомий імпульс (282 с) істотно нижчий, ніж у нашого РД-180 (311 с).
А питомий імпульс це головна характеристика ракетного двигуна, що показує, наскільки ефективно той перетворює енергію палива на тяговий імпульс.
Дроселювання (управління тягою) для Мерліна було скопіпізжено аж з місячного двигуна.
Космічний корабель "Драгон" - це просто переспівування стародавнього "Аполлона" з усіма його недоліками та своїми ще на додачу.
Він такий же одноразовий, сідає в море та ще й не має стикувального вузла.

При цьому Маск отримує з НАСА , під порожні обіцянки, що колись у майбутньому він все радикально здешевить. Напевно. Колись. Якщо НАСА захоче.

Та невже? Фалькон-9 перший раз полетів 2010-го. З того часу він запускався вже понад 20 разів.
Час перших експериментальних запусків давно пройшов - і до речі він був частково оплачений НАСА.
Маск отримав на розробку Фалькон грант на 400 млн за програмою СОТS.

У рамках цієї програми Фалькон-9 зробив два демонстраційні польоти (2010-го та 2012-го) і був допущений вже до штатного постачання МКС за програмою CRS.Перший політ за цією програмою вартістю 1.6 млрд відбувся у 2012-му році.
Все, з того часу на МКС вже 4 роки літають серійні Фалькони з несуттєвими модифікаціями, які, очевидно, не вимагають спеціальних випробувань/сертифікації. І з незрозумілої причини ці польоти обходяться НАСА набагато дорожчими, ніж запуски Шаттлов свого часу, якщо рахувати з урахуванням маси доставлених вантажів.

Міф 4. Маск хоч щось робить нове, а срана рашка нічого і тільки заздрить

Тобто побудувати повноцінний космодром, розробити та успішно запустити нові ракети легкого та важкого класу – це називається нічого?Взагалі можна довго перераховувати, простіше хоча б

Складний і небезпечний підйом у космічний простір, але, мабуть, не менше труднощів таїть повернення на Землю. Всі, хто стежить за польотом, бажають космонавтам м'якої посадки. "М'який" - це означає, що апарат космічного корабля, що спускається, повинен приземлитися зі швидкістю не більше 2 м/с. Тільки тоді конструкція апарату, прилади в ньому, а головне, члени екіпажу не зазнають різкого жорсткого удару.

Для цього потрібно апарат загальмувати – відібрати всю енергію. Як це зробити без шкоди самого апарата? К.Е.Ціолковський, думаючи над цим питанням, вирішив використати можливість гальмування космічного корабля повітряною оболонкою Землі. Рухаючись зі швидкістю 8 км/сек, космічний корабель не падає на Землю. Перша стадія спуску – включення на короткий час гальмівного двигуна. Швидкість зменшується на 0,2 км/сек і відразу починається спуск.

Насамперед необхідно відстикувати орбітальний відсік і гальмівну рухову установку. І зробити це дуже швидко. Ще до входу в щільні шари атмосфери потрібно повернути апарат, що спускається так, щоб він увійшов у повітряний океан під строго певним кутом. Траєкторія спуску повинна бути такою, щоб члени екіпажу зазнали ваги, що перевищує масу їх власного тіла в 4 рази. Чи не можна вибрати більш пологу траєкторію, щоб лерегрузка була меншою? Виявляється, ні.

Оскільки, крім перевантаження, ще більшу небезпеку для корабля і космонавтів є перегрів при гальмуванні апарату атмосферою. Крутий спуск призводить до більшого перегріву оболонки, зате скорочує час польоту: апарат досягне Землі раніше, ніж спекотний жар проникне всередину нього. Стінки корпусу апарата, що спускається, роблять з легкого алюмінієвого сплаву, зовні покривають захисною оболонкою з високою механічною міцністю і теплоізоляцією з полімерного матеріалу. Сильний нагрівання призводить до повільного випаровування матеріалу. Зустрічний потік повітря хіба що зігріває шар теплозахисту. Температура поверхні апарату близька до 300°С.

При спуску космонавти через ілюмінатор бачать бурхливе море вогню, надійно приборкане теплозахистом. У міру входження в дедалі щільніші шари атмосфери швидкість апарату падає. Коли вона знизиться до 250 м/с, включається парашутна система з двох основних та одного допоміжного парашутів. Один із основних парашутів називається гальмівним, він викидається за допомогою малого вибуху – піропатрона. Другий основний більше першого, він забезпечує плавність посадки. Для м'якого приземлення використовують ще один засіб: рухову установку м'якої посадки вона створює протитягу і апарат приземляється з необхідною швидкістю - не більше 2 м/с.

Бувають інші ситуації. Проходячи поблизу Сонця, комета Тейлора розкололася на дві частини. Обидва уламки обзавелися власними хвостами, але, відійшовши від нашого денного світила, більше ніколи не спостерігалися. Часто різні «неприємності» відбуваються з небесними мандрівницями далеко від наших очей, наприклад, після зустрічі з гігантом Юпітером. Його тяжіння настільки змінює орбіти комет, що вони йдуть.

Пустельні і напівпустельні території становлять 32-43% всієї суші і - не без допомоги людини - щорічно збільшуються приблизно на 9 млн. км2. На півночі Африканського континенту є найбільша пустеля світу — Сахара. На півдні Африки теж є кілька пустель, і найнепривітніша і найгарячіша з них — Калахарі. У Північній Америці найстрашніша пустеля...

Раніше на Землі було багато вогнедишних гір. І давні народи вважали, що виверження вулкана це великий гнів богів. Зараз одні зовсім згасли, інші — у глибокому сні. Вулкани зустрічаються нашій планеті скрізь, навіть у дні океанів. Стародавні римляни та греки були впевнені, що в надрах вогнедишних гір знаходяться гігантські кузні, де кують зброю.

Ця крижана країна тривалий час була загадкою для людей. Сувора природа, важкі, важкопрохідні льоди в навколишніх морях, високі крижані околицькі бар'єри — все це сприяло її ізоляції від зовнішнього світу. Головною особливістю шостого материка є його розташування: майже весь континент, площа якого чи не вдвічі більша за Австралію, знаходиться всередині Південного...

Сьогодні вчені можуть цілим рядом дослідів підтвердити обертання Землі навколо осі. Найвідоміший досвід було проведено у 1851 році французьким фізиком Жаном Фуко. Установка була важким маятником на довгому підвісі. Чим довше підвіс, тим краще проходив досвід. Тому зазвичай такий маятник встановлюють у високих соборах. Маятник Фуко є й у Московському планетарії. Якщо…

Наприкінці літа - початку осені, якщо подивитися ліворуч і трохи вниз від Великої Ведмедиці, можна побачити три яскраві зірки. Вони утворюють великий трикутник. Про ці зірки так і говорять – літньо-осінній трикутник. Ці три зірки відносяться до різних сузір'їв. Одне називається Лебідь, інше Ліра, а третє Орел. Але кожна зірка у сузір'ї має своє…

Саме розташування зірок на небі вселяє думка про дві риби, пов'язані між собою стрічкою або мотузкою. Походження назви сузір'я Риби дуже давнє і, мабуть, пов'язане з фінікійською міфологією. У це сузір'я Сонце вступало в пору багатого риболовлі. Богиня родючості зображалася у вигляді жінки з риб'ячим хвостом, який, як свідчить легенда, з'явився у неї, коли…

Поспостерігайте за Місяцем і ви побачите, що його вигляд змінюється щодня. Спочатку вузенький серп, потім Місяць повніє і за кілька днів стає круглим. Ще через кілька днів повний Місяць поступово стає все менше і менше і знову стає схожим на серп. Серп Місяця часто називають місяцем. Якщо серп повернутий опуклістю вліво, як буква “С”,…

Точні виміри показують, що діаметр Сонця – величина непостійна. Декілька років тому астрономи виявили, що обсяг Сонця зменшується і збільшується на кілька кілометрів кожні 2 години 40 хвилин, причому цей період зберігається строго постійним. З періодом 2 години 40 хвилин змінюється світність Сонця, тобто. випромінювана ним енергія. Такі зміни обсягу Сонця називаються радіальними пульсаціями.

Ще в давнину спостерігачі помітили, що на небі крім нерухомих зірок є особливі блукаючи світила, і назвали їх планетами (планета в перекладі з грецької — блукаюча). На перший погляд, планета та зірка справді дуже схожі. Але якщо подивитися уважніше, можна побачити, що зірки мерехтять, а планети світять рівним спокійним світлом. Це відбувається тому що…

Підйом у простір космосу важкий та небезпечний. Але це ще півсправи. Не менш важко та небезпечно повертатися на Землю. Щоб посадка була м'якою і безпечною, космонавти повинні приземлитися на апараті зі швидкістю, що не перевищує 2 м/с. Тільки таким чином можна говорити, що ні космонавти, ні обладнання не відчують жорсткого удару.

Реакція атмосфери

Вхід літального апарату в атмосферу супроводжується такими явищами, які не зимитуєш під час підготовки космонавтів до польоту. Про те, як космонавти повертаються на землю, знято багато фантастичних фільмів. Все починається приблизно на висоті 100 км. Далі від розігріву атмосфери горить теплозахист. Швидкість спуску апарата становить 8 км/с. Починається проходження крізь плазму.

Швидше за все, навіть найяскравіші фарби не зможуть описати, як космонавти повертаються на Землю, і що вони відчувають у цей момент. За ілюмінатором розгортається світлове уявлення. Спочатку утворюється надзвичайно яскраве, рожевого кольору світіння. Потім спалахує плазма. У цей момент починає горіти вогонь і спостерігаються різні світлові ефекти. Це схоже на багаття, що палає навколо літального апарату.

Відчуття льотчиків

З чим можна порівняти, як космонавти повертаються на Землю? На що це схоже? Сидячи в спусковій капсулі, вони немов у ядрі метеорита, від якого виходить неймовірної потужності полум'я. Плазма спалахує раптово. Повз ілюмінаторів космонавти спостерігають іскри, розміри яких як добрий чоловічий кулак. Час вогняної вистави триває до 4 хвилин.

Серед фантастичних фільмів, що показують, як космонавти повертаються на Землю, найбільш реалістичним є «Аполлон-13». Пролітаючи крізь плазму, всередині капсули космонавти чують сильне ревіння. Лобовий захист апарату починає рватися через температуру в 2 тисячі градусів. У такі моменти космонавти мимоволі замислюються про можливу катастрофу. Згадується шатл «Колумбія» та його трагедія у 2003 році, яка сталася саме через прогорання корпусу під час спуску.

Гальмування

Після того як плазма залишається позаду, апарат, що спускається, починає крутити на стропах парашута. Його бовтає на всі боки на 360°. І тільки пролетівши хмари, космонавти бачать в ілюмінаторах вертольоти, що їх зустрічають.

К. Ціолковський працював над питаннями гальмування літального апарату, що спускається. Він вирішив використати гальмування корабля об повітряну оболонку Землі. Коли корабель рухається із швидкістю 8 км/с, включається перша стадія гальмування на короткий час. Його швидкість зменшується до 0,2 км/с. Починається спуск.

Минуле та сьогодення

Колись астронавти НАСА літали на човнах (шатлах). Виробивши свій ресурс, ці шатли знайшли своє місце у музеях. Сьогодні космонавти виконують польоти на МКС. Перед початком спуску, Союз, поділяються на три частини: модуль з космонавтами для спуску, приладно-агрегатний відсік, побутовий відсік. У щільних прошарках атмосфери корабель згорає. Уламки, які не згоріли, впадуть.

Космонавти зазнають найсильніших навантажень при посадці на Землю, крім цього вони ризикують перегріванням апарату, адже температура на поверхні доходить до показника 300° за Цельсієм. Матеріал починає повільно випаровуватися, а в ілюмінаторах льотчики бачать бурхливе вогняне море.

Потім відбувається викид гальмівного парашута за допомогою піропатрону. Другий парашут більше за перший. Він необхідний пом'якшення посадки. Також використовують рухову установку м'якої посадки, яка створює протитягу.

Сьогодні системи посадки космонавтів більш надійні, ніж у минулому. Завдяки сучасним автоматизованим розробкам, системи перевірені та налагоджені. Спуск стає простішим. Розроблено багаторазові космічні кораблі, що нагадують величезні літаки. Вони приземляються, використовуючи свої двигуни, на спеціальні посадкові смуги.

23 листопада приватна аерокосмічна компанія Blue Origin, що належить Amazon Джеффу Безосу, вперше в історії успішно здійснила успішне вертикальне приземлення після суборбітального польоту космічного корабля New Shepard і ракети BE-3.

За словами Безоса, контрольована посадка є дуже складним процесом, і щоб досягти успіху, компанії знадобилося кілька років. Космічний корабель New Shepard при тестовому польоті піднявся на суборбітальну висоту трохи більше 100,5 км.

Розробляти корабель New Shepard та засіб доставки його на орбіту – ракету BE-3 почали ще наприкінці 2013 року. Перший запуск здійснили у квітні 2015 року, але він виявився невдалим – New Shepard розбився при приземленні. Зараз же фактично стався прорив в аерокосмічній галузі - вдалося приземлити капсулу і ракету, що відокремлюється. Традиційно раніше космічні ракети-носії використовувалися лише один раз (зазвичай вони складаються з декількох ступенів, які після згоряння палива відокремлюються та згоряють у щільних атмосферних шарах або падають на землю).

Blue Origin є однією з кількох приватних компаній, таких як SpaceX, Boeing, Virgin Galactic та XCOR Aerospace, які конкурують за те, щоб запропонувати комерційні польоти до космосу для своїх клієнтів. Конкурент Blue Origin – компанія SpaceX Ілона Маска – вже 3 рази намагалася посадити свою ракету-носій Falcon 9 на плаваючу платформу, але всі спроби закінчилися невдачею. Основною причиною цих невдач є те, що Falcon 9 набагато потужніший і важчий, тобто її в рази складніше приземлити. Але це одночасно є і перевагою ракети, оскільки вона здатна піднятися на більшу висоту. Саме тому Falcon 9 зараз використовується для доставки вантажів до Міжнародної космічної станції.

Проте, повернемося до польоту апарату від Blue Origin. Ракета власного виробництва BE-3, яка несла космічний апарат New Shepard, стартувала 23 листопада об 11.21. Незабаром після старту ракета відокремилася від корабля. Але вона не впала на Землю, а приземлилася на посадковому майданчику. Спочатку ракета падала зі швидкістю 622 км/год, потім завдяки спеціальним ребрам на її корпусі, які діють як повітряні гальма та напрямні дня польоту, її швидкість була уповільнена до 192 км/год, при цьому ракета була зорієнтована на посадковий майданчик. І, нарешті, на висоті 1500 метрів над місцем посадки увімкнулися двигуни, уповільнюючи швидкість посадки. Останні 30 метрів ракета опускалася зі швидкістю 7,1 км/год.

Капсула New Shepard досягла максимальної висоти в 100,5 км, при цьому розвинувши швидкість 3,72 Маха (4593 км/год). Після повернення з орбіти космічний корабель (без екіпажу) приземлився окремо за допомогою парашутів.

Людство завжди було одержиме зірками, тому представляємо вашій увазі , що можуть бути використані для міжзоряних подорожей.