New Shepard VS SpaceShipTwo
Предисловие переводчика
https://thealphacentauri.net/91348-new-shepard-vs-spaceshipt...
Это перевод свежего видео Тима Додда aka Everyday Astronaut, где он сравнивает две разные системы, нацеленные на туристические космические суборбитальные полеты. Оригинальное видео вы можете найти ниже. Приятного прочтения.
Virgin Galactic Ричарда Брэнсона с космическим самолетом SpaceshipTwo и Blue Origin Джеффа Безоса с их аппаратом New Shepard знаменуют начало новой эры космических полетов человека. Обе эти системы способны подарить клиентам невероятные впечатления, доставив их на край космоса и обратно. Подобный опыт можно получить один (первый) раз в жизни. Это обеспечит пассажирам обоих кораблей примерно четыре минуты невесомости и уникальный вид, который за всю нашу историю видели менее 600 человек. И Ричард Брэнсон, и Джефф Безос решили самолично участвовать в первом полете своих детищ.
Что такое суборбитальный космический полет?
Первый коммерческий космический полет из США состоялся в 2020 году, когда SpaceX доставила астронавтов НАСА Боба Бенкена и Дага Херли на МКС на своем космическом корабле Crew Dragon. Это была орбитальная миссия под названием DM-2. И это совершенно другая стезя, чем та, которую избрали Blue Origin и Virgin Galactic. Орбитальные миссии требуют гораздо более мощной ракеты, чем суборбитальные. После того как орбитальные миссии вывели свой груз на орбиту, он не вернется на Землю, пока не уйдет с орбиты.
С другой стороны, суборбитальные космические полеты не достигают орбиты, они просто суборбитальные. По сравнению с орбитальными миссиями цели этих ракет не заключаются в выводе чего-либо на орбиту. Это специально построенные ракеты для космического туризма. Подшучивать над этими ракетами за то, что они не достигают орбиты, — все равно что высмеивать Honda Civic за то, что она не может тянуть столько же, сколько вытягивает грузовик. Она не предназначена для этого!
Важно то, что эти аттракционы отправляют людей в космос. В конце концов, чтобы отправиться в космос, им просто нужно подняться, пока они не выйдут из атмосферы Земли. Атмосфера не прекращается внезапно, она постепенно исчезает, пока они не достигнут высоты, на которой атмосферы практически нет.
Орбитальный VS Суборбитальный
Космос можно определить как недостаток атмосферы, но не недостаток силы тяжести. Гравитация внезапно не исчезает после достижения космоса. На высоте 100 км масса все еще притягивается земным притяжением почти с той же силой, что и на уровне моря. В частности, сила тяжести по-прежнему составляет 9,4 м/с^2, в отличие от 9,8 м/с^2 на уровне моря. Разница совсем небольшая.
Визуализация линии Кармана и силы тяжести на высоте 100 км.
И New Shepard от Blue Origin, и SpaceShipTwo от Virgin Galactic будут запускаться более или менее одинаково. После примерно двух минут разгона для New Shepard и одной минуты для SpaceShipTwo двигатели отключатся, и оба корабля начнут двигаться по инерции, достигнув максимальной высоты или апогея, а затем вернутся обратно на Землю. В момент выключения двигателей пассажиры начнут чувствовать себя в невесомости около 3-4 минут, до тех пор, пока корабли снова не начнут входить в плотные слои атмосферы и не начнут испытывать аэродинамическое сопротивление.
Визуализация траектории полета New Shepard.
В апогее эти аппараты имеют практически нулевую горизонтальную скорость. Короткое время они почти полностью неподвижны. Если бы они теперь попытались остаться в космосе, выйдя на орбиту, им пришлось бы двигаться с орбитальной скоростью, примерно 28 000 км/ч вбок, что примерно в 8 раз быстрее, чем их пиковая скорость во время взлета.
Определение «космоса»
Линия Кармана — это международное определение, которое отмечает край космоса и определяется как 100 км над уровнем моря. Согласно определению США, космос начинается на высоте 80 км, это высота, на которой скорость, необходимая для создания подъемной силы, превышает орбитальную скорость. Поэтому по международным определениям только один из двух кораблей достигает космоса, хотя оба будут находиться в невесомости.
SpaceShipTwo компании Virgin Galactic
Virgin Galactic Ричарда Брэнсона — это компания по запуску суборбитального туризма, которую не следует путать с Virgin Orbit. Virgin Orbit — это небольшая компания по производству легких ракет, которая запускает свою ракету LauncherOne с самолета Boeing 747 под названием Cosmic Girl. В какой-то момент они оба были частью Virgin Galactic, но теперь являются отдельными компаниями. Virgin Galactic в настоящее время имеет одну систему, состоящую из SpaceShipTwo и его самолета-носителя WhiteKnightTwo.
Есть также более новая готовая к производству версия под названием SpaceShip III (ранее SpaceShipThree). Это практически тот же космоплан, что и SpaceShipTwo, но к моменту публикации этой статьи он еще не летал.
Развитие и история космического корабля
SpaceShipTwo и WhiteknightTwo — это увеличенные версии оригинальных SpaceShipOne и WhiteKnightOne, которые были построены Scaled Composites и выиграли приз Ansari X в размере 10 миллионов долларов США в 2004-м году, успешно совершив полеты в космос и обратно дважды всего за пять дней. Этот подвиг привлек внимание Ричарда Брэнсона и Virgin Group, которые искали вариант для космического туризма и объявили, что они будут лицензировать технологию и спонсировать SpaceShipOne после его первого полета.
Virgin Galactic стала соучредителем The Spaceship Company в 2005 году, получив 70% акций, а Scaled Composites достались остальные 30%. Целью компании Spaceship Company было расширение SpaceShipOne и его самолета-носителя, чтобы максимально использовать потенциал коммерческих космических полетов.
В 2008 году компания представит свой новый самолет-носитель WhiteKnightTwo, который примерно в 3 раза больше, чем исходный WhiteKnightOne. Теперь он имеет сдвоенный фюзеляж с четырьмя реактивными двигателями.
В то время как одна сторона фюзеляжа является копией интерьера SpaceShipTwo, который используется для обучения пассажиров по разумной цене, другой фюзеляж можно использовать для более дешевых полетов на высоте 18 км. На высоте почти вдвое больше, чем у стандартного авиалайнера, пассажиры будут достаточно высоко, чтобы увидеть темно-синее небо.
Первый SpaceShipTwo (технически первая Scaled Composites Model 339 SpaceShipTwo) был представлен 7 декабря 2009 года и получил название VSS Enterprise. Он имел гораздо большую конструкцию, способную перевозить 2 пилотов и 6 пассажиров. На этапе взлета он использует модернизированную версию своего уникального гибридного ракетного двигателя.
Гибридный ракетный двигатель SpaceShipTwo
В гибридном двигателе используется полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB), твердое ракетное топливо на основе каучука, но, в отличие от традиционного твердотопливного двигателя, он использует закись азота (N2O) в качестве окислителя, что позволяет им останавливать двигатель в полете. Отсюда и появился «гибрид». Твердое ракетное топливо будет продолжать работать только тогда, когда в двигателе присутствует жидкий или газообразный N2O. Это позволяет пилотам зажигать двигатель с помощью воспламенителя, при этом N2O течет из бака окислителя в твердотопливную часть двигателя. Несмотря на возможность выключить двигатель, возможность дросселирования (изменения тяги — прим.ред.) в полёте сильно ограничена.
В течение короткого периода времени Virgin Galactic исследовала жизнеспособность другого твердого топлива, называемого термопластическим полиамидом, с N2O и метаном (CH4) для сжигания, а гелий — для отключения. Они вернутся к использованию HTPB после первого и единственного полета с этой версией двигателя, что, к сожалению, привело к трагической гибели одного из двух летчиков-испытателей и потере корабля.
Неудачи и трагедия
Разрушение космоплана не было связано с использованием этого нового двигателя. Причиной стал один из основных элементов его конструкции — “пернатая” система входа в атмосферу. Космоплан буквально сломался, когда второй пилот преждевременно разблокировал систему оперения на скорости 0,92 Маха. Противодействующие аэродинамические и инерционные нагрузки на систему оперения превысили мощность приводов оперения, что привело к разрушению корабля.
Характеристики SpaceShipTwo
Общая форма и конструкция космопланов Virgin Galactic уникальны, они оснащены пневматически наклоняемой хвостовой частью с горизонтальными стабилизаторами. Двойное оперение ракетоплана имеют так называемый свободный профиль входа в атмосферу, вдохновленный воланом для бадминтона. Этот свободный профиль повторного входа представляет собой пассивно устойчивую конструкцию, которая обеспечивает большое сопротивление и заставляет корабль каждый раз возвращаться в правильное положение — “животом” вниз, даже в случае входа перевернутым.
Как только полет становится дозвуковым и корабль снова оказывается в нижних слоях атмосферы, он распрямляет свои крылья и планирует обратно к взлетно-посадочной полосе для относительно стандартной посадки. Вместо передней стойки шасси он использует простой «костыль», который также действует как тормоз при приземлении.
“Люди у руля”
Самое интересное в корабле то, что люди контролируют его на 100%. Нет автопилота и нет радиоуправления. Пара пилотов управляет кораблем напрямую через триммер с электронным управлением на сверхзвуковых скоростях и тросовые соединения на дозвуковых скоростях. Для управления ориентацией космоплана в космосе у них есть 12 двигателей на холодном газе. В двигателях, работающих на холодном газе, используется сжатый воздух, и они представляют собой очень простой и эффективный способ управления положением корабля в отсутствие атмосферы. Они могут управлять тангажом, рысканием и креном: в общей сложности 6 пар подруливающих устройств, часть из которых — резервная.
Клиентский опыт
Virgin Galactic уделяет пристальное внимание интерьеру и обеспечивает клиентам наилучшие впечатления, используя 16 бортовых камер. Клиентам не придется возиться со своими камерами (и делать селфи), что позволит им жить настоящим моментом и сосредотачиваться на собственном опыте. На спинках сидений есть дисплеи, которые помогут быть в курсе всех этапов полета. Сиденья также динамичны и меняют угол наклона, чтобы обеспечить максимальный комфорт и безопасность на различных участках полета. Кроме того, сиденья оборудованы самозатягивающимися ремнями безопасности, которые помогают пассажирам быстро покинуть посадочные места невесомости. По всему космоплану размещено 17 иллюминаторов с поручнями по краям, так что пассажиры могут легко за них ухватиться.
В 2016-м году Virgin Galactic построила свой второй корабль SpaceShipTwo под названием VSS Unity. Прежде чем принять пассажиров, он трижды летал в космос. Пять лет спустя, 30-го марта 2021-го года, Virgin Galactic представила свой первый Space Ship III под названием VSS Imagine.
Трансляция первого туристического полёта VSS Unity на Alpha Centauri
New Shepard от Blue Origin
Blue Origin Джеффа Безоса существует уже давно и даже была основана до SpaceX — в 2000-м году. Философия Blue Origin — это «Gradatim Ferociter», что на латыни означает «Шаг за шагом, свирепо». Их медленный и терпеливый подход к развитию космических полетов, безусловно, отражает это.
История и развитие New Shepard
Еще до того, как New Shepard увидел свет, Blue Origin представило демонстратор с ракетным двигателем под названием Goddard в 2006-м году. После него Blue Origin начала разработку системы New Shepard, которая состоит из космической капсулы и ускорителя.
New Shepard назван в честь Алана Шепарда, первого американца в космосе, совершившего суборбитальный полет. Их следующая ракета, New Glenn (всё ещё в разработке — прим. ред.), названа в честь Джона Гленна, первого американца, совершившего орбитальный полет, и, как следует из названия, эта ракета будет орбитальной.
Капсула New Shepard была впервые испытана в конце 2012-го года при испытании системы аварийного спасения (САС). Они продемонстрировали свою САС, состоящую из твердотопливного ракетного двигателя толкающего типа и способную полностью раскрывать парашюты для мягкой посадки на малых высотах. Большая структура, напоминающая центральную консоль по центру корабля на самом деле представляет собой твердотопливный ракетный двигатель, способный оттолкнуть капсулу от отказавшего ускорителя при его неполадках.
Конструкция
У ускорителя есть кольцо, на котором находится капсула. Оно нужно не только для аэродинамической стабильности при входе в атмосферу, но также имеет рельеф для двигателя САС. Это означает, что если им придётся задействовать САС, пока корабль ещё присоединён к ускорителю, горячие газы из ракетного двигателя помогут уйти в сторону от ускорителя, уменьшая вероятность аварии.
Двигатель BE-3
В 2015 году Blue Origin объявили, что завершили приёмочные испытания своего двигателя BE-3, который будет использоваться в ускорителе New Shepard. BE-3 — это двигатель открытого цикла. Цикл отвода характеризуется отводом горячих газов из основной камеры сгорания для вращения турбины и приведения в действие топливных насосов. Запустить двигатель непросто, поскольку горение может происходить только при работающих насосах, которым, в свою очередь, для работы необходимо горение. Получается такой цикл.
BE-3 на базе New Shepard также работает как технологический демонстратор. Доступ к деталям получить достаточно легко. При необходимост его возможно, настроить или отремонтировать. Это позволяет компании быстро ремонтировать и изучать двигатель внутри и снаружи, что дополнительно помогает формировать свою версию BE-3U (двигатель с фазовым переходом — прим. ред.) с оптимизированным соплом для вакуума, которую Blue Origin будет использовать на New Glenn в будущем.
BE-3 приводит в действие всю систему со стартовой площадки в Западном Техасе на высоте примерно 1200 метров над уровнем моря и на протяжении всего пути, примерно до 50 км, когда он отключается и New Shepard продолжает полёт по инерции. Примерно за 80 секунд до апогея происходит отделение ускорителя от капсулы.
Возврат ускорителя и его посадка
Именно во время этой части миссии ускоритель активирует маленькие крылья в нижней части, чтобы управлять своей ориентацией в полете. После этого он запускает несколько воздушных «тормозов», которые расположены на верхнем кольце, что дополнительно помогает снизить скорость. Затем, всего на высоте 3 км над землей, ускоритель повторно зажигает двигатель BE-3 для посадки. Двигатель может снизить тягу до уровня ниже 20% от максимальной, что позволяет ракете зависать и идеально перенаправлять себя на посадочную площадку. Для справки: двигатель Merlin от SpaceX на Falcon 9 и Falcon Heavy может снизить тягу примерно до 40% от номинальной, что также является причиной того, что Falcon 9 фактически не может зависать и выполняет свой довольно агрессивный маневр при посадке (т.е. его скорость снижается таким образом, чтобы в момент касания поверхности первая ступень достигла скорости 0 м/с — прим. ред.).
Ранние достижения
Фактически, New Shepard от Blue Origin была первой ракетой, которая достигла космоса, а затем совершила посадку. Они сделали это примерно за месяц до того, как SpaceX приземлила свой первый ускоритель Falcon 9. Конечно, одна ракета — это орбитальный ракетный ускоритель, летящий вбок на скорости до 8000 км/ч, несущий на себе большую вторую ступень, а другая — суборбитальная, с максимальной скоростью около 3500 км/ч и летящая прямо вверх практически без горизонтальной скорости. Хотя New Shepard — это «всего лишь» суборбитальная ракета, всё же это было и остается примечательным достижением, поскольку посадка ракеты из космоса — нетривиальная задача.
Возврат капсулы
Между тем, капсула с экипажем возвращается медленнее из-за большей площади поверхности и профиля тупого тела. На высоте около 2-х километров она развёртывает три тормозных парашюта, а затем, около 1-го километра, — три основных парашюта. Несмотря на то, что капсула снижается со скоростью всего около 25 км/ч, приземление будет даже мягче, чем при запуске маленьких тормозных двигателей в самый последний момент, чтобы создать приятную воздушную подушку между капсулой и землей (как делает при посадке КК «Союз»). Капсула New Shepard может фактически потерять два своих основных парашюта и все же приземлиться достаточно медленно, чтобы обеспечить выживание экипажа. Что также возможно благодаря амортизирующим сиденьям, которые помогают дополнительно смягчить удары.
Трансляция полёта New Shepard на Alpha Centauri
В отличие от SpaceShipTwo, New Shepard на 100% автономен. Это означает, что все шесть мест на борту могут быть заполнены пассажирами, и нет необходимости в том, чтобы какое-либо из них занимали пилоты. Внимание каждого пассажира на себя обращают огромные обзорные иллюминаторы. На момент публикации этой статьи они были самыми большими «окнами», которые когда-либо летали в космос, и которые являются важной частью впечатлений пассажиров во время полета.
Программа испытаний New Shepard
Прежде чем на борт допустили людей, New Shepard успешно слетал 15 раз. Они потеряли свой первый бустер во время первой попытки в начале 2015-го года, но все же благополучно вернули капсулу. После этого второй бустер слетает пять раз, прежде чем будет выведен из эксплуатации. Третий бустер и вторая капсула совершили семь успешных полетов, а затем четвертый бустер и третья капсула летали дважды, прежде чем стали готовы к приёму людей на борт.
SpaceShipTwo VS New Shepard
SpaceShipTwo имеет длину 18 м, размах крыла 8,2 м и высоту оперения 4,6 м. Он примерно такой же длины, как и «Нью-Шепард»: 19 м в длину и около 3,8 м в диаметре. Для справки, Falcon 9 имеет высоту 70 м и диаметр 3,7 м.
Сравнение размеров SpaceShipTwo (слева), New Shepard (в центре) и Falcon 9 (справа).
Двигатели
Поскольку оба корабля имеют разные двигатели, их характеристики также различаются. В то время как New Shepard от Blue Origin оснащен двигателем с отводным циклом внутреннего сгорания, работающим на жидком водороде (LH2) и жидком кислороде (LOx), SpaceShipTwo от Virgin Galactic оснащен гибридным ракетным двигателем, работающим на твердом топливе HTPB с закисью азота (N2O) в качестве окислителя. BE-3 от Blue Origin развивает тягу примерно на треть больше, чем RocketMotorTwo от Virgin Galactic, 490 и 310 кН соответственно. Поскольку BE-3 является водородным двигателем, он имеет относительно высокий удельный импульс по сравнению с RocketMotorTwo, 310 с и 250 с соответственно. Время работы этих двигателей также сильно различается из-за того, что New Shepard запускается на земле, а SpaceShipTwo включают уже в воздухе. Из-за этого BE-3 работает около 2 минут 20 секунд по сравнению с примерно одной минутой для SpaceShipTwo.
Сравнение двигателей BE-3 от Blue Origin и RocketMotorTwo от Virgin Galactic.
Поскольку BE-3 является водородным двигателем, он оказывает очень небольшое воздействие на окружающую среду — продуктом сгорания является только водяной пар. RocketMotorTwo от SpaceShipTwo оказывает довольно большое воздействие на окружающую среду, поскольку HTPB повреждает озоновый слой атмосферы Земли.
Характеристики миссии
Как упоминалось ранее, SpaceShipTwo может перевозить восемь человек: двух пилотов и шесть пассажиров, в то время как New Shepard может перевозить шесть пассажиров без необходимости в пилотах. По сравнению со SpaceShipTwo, полет New Shepard намного короче — от взлёта до посадки проходит всего около десяти минут. Обычное время полета SpaceShipTwo от взлета до приземления составляет около двух часов. Большую часть этого времени занимает как долгий и медленный подъем в связке с WhiteKnightTwo, так и медленное планирование обратно на полосу. Оба корабля по-прежнему проводят в невесомости примерно одинаковое количество времени, около трёх-четырех минут.
Одним из заметных различий между этими двумя аппаратами является максимальная высота их полёта. Для VSS Unity она составляет всего 90 км, что означает, что он никогда не пересекал линию Кармана. Несмотря на то, что это довольно условно и на самом деле ничего не меняет с точки зрения пассажиров, это стоит отметить. New Shepard, с другой стороны, достигает высоты около 105 км.
Многоразовость
Еще одно важное замечание об этих системах заключается в том, что они обе полностью многоразовые. Это жизненно важно для снижения стоимости коммерческих космических полетов (даже суборбитальных) и открытия возможностей для большего числа людей.
Цена за билет для обоих кораблей еще не опубликована. Большинство людей, которые выкупили полёты на SpaceShipTwo, заплатили 250 000 долларов, но, к сожалению, цена полета на New Shepard еще не разглашается. Пока что есть только один пример цены, и это клиент, который предложил 28 миллионов долларов за кресло в первом полете вместе с Джеффом Безосом, его братом Марком и легендой авиации Уолли Фанк. На конференции в 2019-м году генеральный директор Blue Origin Боб Смит предложил цену за билет в «сотни тысяч», а другие источники утверждали, что она будет «намного больше 500 000 долларов». На момент публикации этой статьи официальная цена до сих пор не разглашается.
Заключение
И SpaceShipTwo от Virgin Galactic (в будущем — SpaceShip III), и New Shepard от Blue Origin представляют собой две совершенно разные системы.
С одной стороны, простая конструкция капсулы New Shepard запускает клиентов до линии Кармана и приземляет их под парашютом примерно за десять минут. С другой стороны сложный, но элегантный гибридный ракетный самолет Virgin Galactic, запускаемый с воздуха, который доставит клиентов в двухчасовую поездку туда и обратно, на край космоса и обратно. В то время как New Shepard может похвастаться самыми большими окнами, которые когда-либо побывали в космосе, SpaceShipTwo будет переворачиваться вверх ногами, позволяя пассажирам снова посмотреть на Землю.
В конце концов, обе системы имеют преимущества и недостатки друг перед другом, которые будут соответствовать личным потребностям разных клиентов, но, когда дело доходит до ощущения невесомости, обе они предлагают примерно одинаковый: три-четыре минуты.
