Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Zakaj je tako težko pristati raketo na njen rep

Slika dolge izpostavljenosti SpaceX Falcona 9, ki prikazuje zagon, ponovni vstop in pristanek. Fotografija je odobrena s strani SpaceX

V ponedeljek je SpaceX Elona Muska dosegel nekaj, kar je večina ljudi v raketni industriji mislila, da je skoraj nemogoče: prvič, raketna faza, ki je dostavila tovor v orbito, se je obrnila in se vrnila na Zemljo, varno pristala na repu.

Pridobivanje rakete s tal je dovolj težko, vendar je znanost dobro razumljena in fizika je precej osnovna. Toda nasprotno, to je izziv. Pristanek visokih, suhih plovil je popolnoma drugačen problem.

Zapušča Zemljo

Prvič, primer na preprostem delu. Za vstop v orbito mora raketa premagati težo in upor. Načrtovanje rakete, da bi bila dobra, na žalost, povzroči, da se spet težko spusti.

Osnovna raketna fizika je enaka za NASO raketo ali modelno raketo, ki jo je sprožil 9-letnik. Središče mase rakete (točka znotraj rakete, okoli katere je vsa masa enakomerno porazdeljena) mora biti poravnano s središčem potiska in vektorjem potiska. Če ne, bo raketa zavrtela, namesto da bi letela naravnost.

Oblikovalci raket se morajo pomisliti tudi na središče dvigala, ki je točka, kjer se vsota vseh žičnic, ki jih ustvarijo deli - krila, kontrolne površine in aerodinamični deli trupa - uravnoveša. Pravzaprav je enostavno misliti, da je to središče upora. Ko se raketa lansira, se bo središče upora premaknilo tako, da bo ostala neposredno za središčem mase. Raketa, ki leti v tej konfiguraciji, bo stabilna.

Ampak kot raketa gorijo gorivo, se bo središče mase premaknilo. Če se središče mase premakne za središčem vlečenja, bo stabilna raketa postala nestabilna. Vozilo za dvigalo, ki je opravilo svoje delo, je verjetno zelo blizu temu, da je v tej nestabilni konfiguraciji, saj je ves pogonski plin izstreljen med izstrelitvijo.

Priti domov

Doseči orbito je dovolj težko. Toda pristajanje rakete na repu je težje, saj je s skoraj suhimi tanki raketa veliko bolj nestabilna kot takrat, ko se je začela. Pristanek, ki je potekal 21. decembra v SpaceXu, ni bil prvi poskus podjetja: poskusili sta in neuspešni v dveh prejšnjih priložnostih.

Oba prejšnja poskusa, da bi izstrelili raketo, sta bila izvedena na barki na morju. To je bil prvi poskus na kopnem, ki je imel nekaj prednosti. Kopno se ne kopiči in na novo zgrajena pristajalna ploščad (LZ-1) na rtu je veliko večja. (Kljub temu, da so pri SpaceX-u zaslužili, so pristali na sredi padca.)

Veliko je o novo nadgrajenem Falconu 9, zaradi česar je edinstveno sposoben pristati po izstrelitvi. Večina raket potrebuje vse svoje razpoložljivo gorivo, da dobijo tovor v orbito. Toda Falcon 9 je bil zgrajen z mislijo na ponovno uporabnost in skoraj 30-odstotno maržo v gorivu, kar mu je omogočilo, da je dostavil kapsule SpaceX Dragon, ali še en tovor, kot je 11 satelitov ORBCOMM, ki so se nahajali v orbiti v ponedeljek in še vedno imajo dovolj goriva prvi fazi.

Dodatno gorivo je potrebno za zaviranje prve faze. Po drugi fazi ločevanja in vžiga je prišlo, in medtem ko je še vedno hipersonično, so motorji prve stopnje relit, zaviranje in obračanje faze nazaj proti mestu pristanka v "ojačevalni" opeklin. Kasneje med ponovnim vstopom se izvede še ena opeklina, tokrat s samo tremi od devetih glavnih potisnih motorjev. Končno, "terminal" opeklina uporablja en sam motor za upočasnitev rakete do mehkega dotika.

Vendar to ni samo dodatno gorivo, ki je potrebno. Falcon 9 ima tudi majhna, zložljiva, toplotno odporna krila, imenovana mrežna rebra. Te so potrebne za usmerjanje odra, ko pade, rep-najprej, iz roba prostora skozi ozračje. Pnevmatike so potegnile v ozadje vektorja navzdol rakete, tako da je motor obrnjen v vektor letenja, kjer je le nekaj minut pred tem vsak fizikalni zakon povzročal, da je raketa letela v točno nasprotni konfiguraciji.

Prva faza ima tudi potisnike hladnega plina, ki so nameščeni proti vrhu rakete, ki se uporabljajo za obračanje rakete okoli, tako da se lahko glavni motorji sprostijo in izvedejo povišano opeklino. Na koncu je stopnišče opremljeno s podpornimi nogami, ki se sprožijo, ko se dotaknejo navzdol.

Infografika prikazuje faze v lansiranju in iztovarjanju SpaceX's Falcon 9. Slika ustreza SpaceX

Vsi ti sistemi so (in morajo biti) popolnoma avtomatizirani - reagirajo in prilagajajo svoje vedenje na podlagi podatkov v realnem času s senzorjev na vozilu. Stvari se dogajajo prehitro, raketa pa je preveč napeta, da človek upravlja z njo. To je delo, ki je najbolje prepuščeno računalniku.

Razlog, zaradi katerega je raketa težko nadzorovati v konfiguraciji za pristanek, ima veliko opraviti s središči mase in upora, o katerih smo govorili prej. Falcon 9 mora biti visok in tanek, tako da je lahko učinkovito izstrelitveno vozilo, toda ta natančna konfiguracija omogoča zveri za nadzor, ko pride nazaj.

Medtem ko se potisniki hladnega plina uporabljajo za vrtenje rakete pred ožigom s povišanjem, Falcon 9 uporablja svoje glavne motorje s kavljem, ki zagotavljajo potisni sunek in (skoraj vse) rotacijsko (kotno) potiskanje, ki je potrebno za krmiljenje in spuščanje oder nazaj. na tleh. Z drugimi besedami, ves navor za obračanje rakete se uporablja na enem koncu rakete, brez kakršnega koli uravnoteženja potiska na drugem koncu. Poskusite uravnotežiti ročaj metle na konici prsta, obrnjen navzgor, da vidite, kako težko je to težava.

Možno je, vendar ker na eni strani zagotavljate silo, je zelo nestabilna in popravke je treba izvajati nenehno. In ker se raketni motor, ki zagotavlja te popravke (da ohrani stopnjo pokončno in stabilno), uporablja tudi za zaviranje padajoče prve stopnje do pristanka, prav tako pa zagotavlja horizontalno vektoriranje, kar je težaven problem v realnem času.

Če se raketa preveč odmakne in se središče mase premakne izven roba repne rakete, razen če je takoj potisnjeno v nasprotno smer, bo raketna stopnja postala nepopravljiva. Krajša, squatter raketa bi bila lažje nadzorovati za pristanek, vendar je veliko težje priti v orbito na prvem mestu zaradi aerodinamičnega upora, da ne omenjamo manj stabilne na vzponu.

Skratka, pristanek repa SpaceX je zmagoslavje ne le pri projektiranju raket, temveč tudi v programski opremi. Preprosto ni lahko uravnotežiti gibljive, nestabilne palice na repu vse do varnega pristanka na zelo specifični lokaciji.

Toda to ni prva

To ni prvič, da je raketa pristala navpično. Po prvem uspešnem pristanku suborbitalnega vozila New Shepard v vzhodnem Teksasu konec prejšnjega meseca je Blue Orbital ustanovitelj Jeff Bezos odpotoval na Twitter, kjer je objavil posnetke o začetku in pristanku vozila.

Najbolj redke zveri - rabljena raketa. Kontrolirano pristajanje ni enostavno, vendar je pravilno opravljeno, lahko izgleda enostavno. Oglejte si video: https://t.co/9OypFoxZk3

- Jeff Bezos (@JeffBezos) 24. november 2015

Milostno ostala neizrečena je bila vsaka omemba neuspeha SpaceXa, da bi iztovoril svoj Falcon 9 - pet spustov za testiranje oceanskih voda in dva neuspešna testna pristanka na ladji dronov. Kljub temu je med dvema milijarderjema prišlo do hudih besed.

Čestitke Jeffu ​​Bezosu in ekipi BO za dosego VTOL-a na njihovem boosterju

- Elon Musk (@elonmusk) 24. november 2015

Vendar je pomembno, da se razjasni razlika med "vesoljsko" in "orbito", kot je dobro opisano s strani https://t.co/7PD42m37fZ

- Elon Musk (@elonmusk) 24. november 2015

Ouch. Vendar pa je resnično "flip" in povišanje opekline, ki jo je izvedel Musk's Falcon 9, zaradi česar je pristanek edinstven dosežek. Prihajanje v prostor zahteva hitrosti okrog 3 Macha, vendar je za pridobivanje na orbiti potrebna hitrost okoli 30 Mach, kjer je zahtevana energija sorazmerna s kvadratom hitrosti (E ² v²). Kar je SpaceX dosegel s Falconom 9, je precej bolj prefinjeno: prelom od orbitalnih hitrosti, da se stopnja vrne na tla z nepoškodovano raketo, še nikoli ni bila opravljena.

Musk je še poudaril, da je SpaceX od leta 2013 letel s sub-orbitalnimi testnimi poleti s svojim Falcon 9-R - kodo, imenovano "Grasshopper".

Jeff morda ni vedel, da je začel leta 2014 leteti SpaceB suborbitalni VTOL. Orbitalno iztovarjanje vode 2014. Naslednja orbitalna pristaniška kopna. https://t.co/S6WMRnEFY5

- Elon Musk (@elonmusk) 24. november 2015

Toda po uspešnem pristanku Falcona 9 v ponedeljek, Bezos ni mogel pomagati, da vzame še zadnje kopanje v Musku.

Čestitamo @ SpaceX na pristanku Falconove podporne faze. Dobrodošli v klubu!

- Jeff Bezos (@JeffBezos) 22. december 2015

Ne vem, kako resno jemljejo Bezos in Musk, toda osebno mislim, da milijarderji, ki govorijo smeti, v vesoljski dirki so točno to, kar potrebujemo. To je vsekakor veliko bolj zabavno kot zadnja vesoljska dirka, kjer sta se dve jedrski sili soočili z veliko ICBM.

Končno potovanje

Vrnjena prva faza Falcona 9 trenutno še vedno sedi na pristajalni ploščadi, ki čakajo na prevoz do predelovalnega obrata.

Medtem ko se bodo v prihodnje vrnile prve faze Falcona 9, se bo ponovno napolnilo gorivo in ponovno preusmerilo - zmanjšanje obratovalnih stroškov SpaceXa, saj le 3% stroškov gradnje in zagona gre v izrabljeno gorivo - potrjeno je bilo, da je Falcon 9 vsaj zmagal. Preusmerite.

Po neuspešnem zagonu CRS-7 se pričakuje, da se bo SpaceX's Dragon vrnil na let v februarju z CRS-8. Prvi nastop SpaceX Falcon Heavy, ki vključuje baletni ples treh Falcon 9 prvovrstnih jeder, ki se vračajo na Cape, je predviden sredi leta.

Delež

Pustite Komentar