Мотивация
Правильный подход
Истина
SpaceX попытается поймать ракету-носитель Starship во время первого орбитального запуска. Teslarati
Эрик Ральф, опубликовано 12 июля 2022 г.
Обновленный документ, представленный SpaceX в Федеральную комиссию по связи США (FCC), раскрывает подробности о плане компании в отношении первой попытки «поймать» ракету-носитель Starship.
Эта информация дополняет другой документ, представленным SpaceX в июне 2021 года, когда компания подробно изложила свои планы относительно дебюта орбитального запуска Starship, запрашивая разрешение у FCC на использование тарелок Starlink для телеметрии в полете. Месяцем ранее другой запрос, ориентированный на более стандартные телеметрические антенны, уже показал, что даже если миссия пройдет идеально, Starship не сможет полностью выйти на орбиту при своей первой попытке космического полета. Это также подтвердило, что SpaceX не собиралась возвращать верхнюю ступень или сверхтяжелый ускоритель, назначенный для дебютного запуска Starship, — неявное признание того, что успех (тогда) не ожидался с первой попытки.
Двенадцать месяцев спустя SpaceX представила обновленный обзор дебюта орбитального запуска Starship в новом запросе на разрешение использовать несколько тарелок Starlink на ступенях Starship. Хотя большая часть документа осталась прежней, некоторые детали относительно роли Super Heavy в миссии изменились.
На этот раз SpaceX заявляет, что ракета-носитель Super Heavy «отделится [,] выполнит частичный возврат [,] и приземлится в Мексиканском заливе или вернется на Starbase и будет поймана стартовой башней». До этого документа оптимистичные планы SpaceX по запуску первой сверхтяжелой ракеты-носителя никогда не отклонялись от контролируемого приводнения в Мексиканском заливе — потенциально демонстрируя, что было бы безопасно попытаться возвратить ракету-носитель при следующем запуске, но почти гарантируя, что первый ускоритель будет потерян в море.
Год спустя SpaceX, похоже, стала более уверенной в себе и хочет оставить себе возможность попытаться возвратить первую запущенную сверхтяжелую ракету-носитель Super Heavy. Тем не менее, компания резко усложнила процесс тестирования посадки Super Heavy и Starship (и, следовательно, повторного использования), полностью удалив традиционные и предсказуемые посадочные опоры и построив свои последние прототипы таким образом, что единственный способ возвратить их в целости — с помощью гигантской механизированной «руки» по прозвищу «Мехазилла» на стартовой площадке.
«Мехазилла» ставит Starship поверх Super Heavy. (nasaspaceflight)
Стартовая вышка с тремя подвижными манипуляторами будут играть решающую роль во всех аспектах орбитальных запусков Starship. Первая «рука» предназначена, чтобы закрепить Super Heavy для установки Starship и подключить верхнюю ступень к источнику питания, топлива и другим коммуникациям стартовой площадки. У другой экзотической пары «рук» по прозвищу «палочки для еды» более сложная работа. Помимо использования для подъема, монтажа и демонтажа Starship и Super Heavy, практически в любых погодных и ветровых условиях, SpaceX хочет использовать «руки» в качестве невероятно сложной и ненадежной системы приземления ракет.
Для Super Heavy или «ловли» Starship ракета приблизится к башне, войдет в зазор между растопыренными «руками», зависнет на месте, пока «руки» смыкаются вокруг нее, и в конечном итоге установится на узлах подвески, которые, кажется, предлагают примерно такую же площадь поверхности как журнальный столик. Основываясь на моделировании процесса, показанного Илоном Маском, называть этот процесс «уловом» неправильно, поскольку «руки» будут в основном двигаться в одном измерении (открываться/закрываться) и на самом деле не могут «схватить» ракету в каком-либо реальном смысле. Как построено и показано, они ближе к крошечной фиксированной посадочной платформе, способной к незначительным корректировкам положения в последнюю секунду.
В конце концов, «палочки для еды» могут сократить время подготовки после возвращения, устраняя необходимость в кране (или тех же рычагах) для прикрепления к приземлившемуся ускорителю или кораблю. Они также могут уменьшить сухую массу, необходимую для посадочных опор, хотя опоры все равно понадобятся всем межпланетным кораблям. Однако они также по своей сути превратят доказательство собственной эффективности в кошмар. Судя по всему, нынешние механизмы возврата на рычагах и посадочных точках подвески на кораблях и ускорителях означают, что «захват» может выйти из строя, если какая-либо ступень находится более чем в футе или двух от идеального «яблочка» или повернута на несколько градусов в неправильном направлении. С методом, разработанным SpaceX, даже малейшая ошибка может легко закончиться тем, что массивная, частично заправленная ракета под давлением уничтожит «палочки для еды» и падение с высоты нескольких сотен футов на землю, гарантируя взрыв, который может повредить окружающую инфраструктуру или вызвать пожар.
В случае более крупных аномалий во время попытки приземления Starship или Super Heavy могут случайно столкнуться с пусковой башней, повредив или даже полностью разрушив конструкцию размером с небоскреб. В конечном счете, огромный риск, связанный с любой попыткой «ловли», означает, что если только SpaceX чудесным образом не добьется почти идеальной конструкции всего, что с первой попытки, компании придется быть чрезвычайно осторожной и потратить большое количество кораблей и ускорителей, чтобы не допустить краха и сохранить стартовую башню Starship для использования.
По крайней мере, в какой-то степени SpaceX, вероятно, знает об этих проблемах, и Super Heavy, вероятно, должен быть в отличном состоянии и отлично работать во время подъема и разгона во время своего дебютного запуска, чтобы быть допущенным к попытке посадки. В конечном счете, первый орбитальный запуск Starship может оказаться еще более зрелищным, чем это уже гарантировано.
Raptor 1 против Raptor 2: что изменила SpaceX? Everyday Astronaut
Ожидаемый обзор очередного «лучшего двигателя мира» от Тима Тодда. Raptor 1 (1.5), ставший «звездой», ничего и не выведя на орбиту, списан в утиль. На сцене Raptor 2 — модернизированный, более дешевый, более мощный, более простой… Тим подчеркивает отличия от предыдущей версии — серьезное упрощение конструкции двигателя, изменение параметров сопла и увеличение его мощности. Этот двигатель делает еще один шаг в неизвестное, в область запредельного давления в камере сгорания и мощности на единицу веса. Поражает воображение. А в перспективе новая версия Raptor 3, еще более мощная, простая и дешевая. Осталась самая малость — подтвердить свои заявленные характеристики в реальном орбитальном полете.
Тревор Сесник, 14 июля 2022 г., 6 минут чтения
Видео от Тима Тодда (Everyday Astronaut)
Обзор двигателя Raptor:
В последние месяцы мы наблюдали переход SpaceX с версий двигателя Raptor, которые использовались на Starhopper, SN5, SN6, SN8, SN9, SN10 и SN11: Raptor v1.0, и Raptor, используемым на SN15, S20. и B4: Raptor v1.5. Новая версия Raptor, получившая название Raptor 2, имеет большое количество улучшений производительности и надежности; что SpaceX изменила в Raptor 2 и почему эти изменения выгодны для Starship?
Наглядное сравнение Raptor 1 и Raptor 2.
Двигатель Raptor
Двигатель Raptor представляет собой двигатель с закрытым циклом с полной газификацией компонентов (FFSCC), который работает на сверхохлажденном жидком кислороде и сверхохлажденном жидком метане CH4, который будет приводиться в действие космические носители следующего поколения SpaceX: Starship. В двигателе Raptor используется очень выгодный цикл FFSCC, максимально увеличивающий импульс, генерируемый заданным количеством топлива. Это третий двигатель FFSCC, когда-либо разработанный, и первый, покинувший испытательный стенд.
Диаграмма, показывающая схему двигателя с закрытым циклом с полной газификацией компонентов со ступенчатой подачей компонентов топлива.
Первая ступень Starship, называемая Super Heavy, будет оборудована 33 двигателями Raptor: 20 двигателей Raptor без карданного подвеса в самом внешнем кольце; 10 двигателей на карданном подвесе в среднем кольце; и три центральных двигателя в самом внутреннем кольце. Ожидается, что в будущем это число уменьшится, поскольку SpaceX продолжит модернизацию двигателя Raptor. На второй ступени, Starship, в настоящее время установлено шесть двигателей: три двигателя без карданного подвеса, оптимизированные для работы в вакууме и три двигателя с карданным подвесом для работы на уровне моря. Генеральный директор и технический директор SpaceX Илон Маск отметил, что в будущем Ship, вероятно, получит еще три двигателя оптимизированных для работы в вакууме.
Компоновка двигателя Superheavy 33 Raptor.
Компоновка двигателя Starship Raptor. (Источник: SpaceX)
Raptor изготовлен из запатентованного SpaceX сплава SX500, медных, алюминиевых и стальных сплавов — нет информации, позволяющей предположить, что сплавы значительно изменились между Raptor 1 и Raptor 2. Двигатель использует некоторое количество элементов 3D-печати; однако SpaceX пытается максимально отказаться от 3D-печати из-за невозможности масштабирования, высокой стоимости и низкой скорости производства.
Одной из самых впечатляющих характеристик Raptor является его диапазон карданного подвеса: двигатель может поворачиваться на 15 градусов по осям X и Z. Это необходимо для выполнения маневра «перевернуть и затормозить», которое делает Starship. Диапазон карданного подвеса в 15 градусов — это много; для сравнения, RS-25 имеет 12,5 градусов, а двигатель SpaceX Merlin 5 градусов на первой ступени.
Диапазон карданного подвеса Raptor 2 составляет 15°.
Изменения
В начале 2022 года был замечен первый Raptor 2, что ознаменовало конец истории Raptor 1 — после начала производства Raptor 2 SpaceX прекратила производство всех двигателей Raptor 1.5.
По сравнению с оригинальным Raptor, Raptor 2 выглядит почти незавершенным — большое количество трубопроводов и датчиков было удалено, что изменило внешний вид двигателя с «елочки» на значительно более компактный вид. В оригинальной версии Raptor, пока SpaceX училась запускать двигатель, требовалось очень большое количество датчиков для разработки, чтобы они могли отслеживать давление и температуру по всему двигателю. Кроме того, многие клапаны были объединены в клапанные пластины, что еще больше упростило трубопроводы.
Удалив большое количество этих компонентов, SpaceX сделала двигатель более огнестойким и термостойким: явный шаг к цели SpaceX по удалению всех кожухов двигателя с ракеты-носителя, что уменьшило бы массу ракеты-носителя. Это яркий пример мантры Маска «лучшая часть — это отсутствие части».
Еще одно различие между Raptor 1 и Raptor 2 заключается в удалении факельных воспламенителей в основной камере сгорания. Вместо использования резервных воспламенителей факела хорошо перемешанный горячий газообразный кислород и горячий газообразный CH4 самовоспламеняются под воздействием высокой температуры и давления. Это изменение еще больше снижает массу двигателя.
Raptor 2 также имеет меньше фланцев, чем на исходных версиях Raptor. Фланцы отлично подходят для прототипирования, когда необходимо заменить детали, но они увеличивают массу и увеличивают потери давления в двигателе. Теперь, когда конструкция стала более стабильной, SpaceX смогла удалить многие фланцевые соединения на двигателе, вплоть до того, что надеется удалить все фланцы на Raptor 2.5, что еще больше увеличит тягу до 250 тонн и дебютирует на 12-м ускорителе.
Визуализация, демонстрирующая шаг к удалению фланцев на Raptor 2 по сравнению с Raptor 1.
Изменение сопла
Самым фундаментальным изменением было увеличение критического сечения сопла. Более широкая горловина позволяет большему количеству топлива проходить через двигатель, увеличивая тягу. Однако это изменение уменьшает коэффициент расширения — отношение между площадью выходного отверстия сопла и площадью критического сечения сопла. Чем выше степень расширения, тем больше работы выполняет сопло для преобразования высокого давления в высокую скорость, увеличивая удельный импульс двигателя.
Сравнение Raptor 1 и Raptor 2
Raptor 1 и Raptor 2 имеют одинаковый диаметр выходного отверстия сопла, а остальная часть двигателя имеет практически одинаковые размеры. Тем не менее, Raptor 2 значительно легче, чем Raptor 1 — Raptor 1 весил примерно 2000 кг (конечно, масса зависит от того, есть ли у двигателя кардан), а Raptor 2 — около 1600 кг.
Давление в камере MCC Raptor 2 составляет поразительные 300 бар — самое высокое давление MCC среди всех ракетных двигателей. Это значительно выше, чем у Raptor 1 с давлением в камере 250 бар. Предыдущим рекордсменом по самому высокому давлению в камере был российский РД-180, работающий при давлении 267 бар.
Из-за большего критического сечения сопла и повышенного давления в камере Raptor получил значительную тягу: Raptor 1 создавал 185 тонн тяги, а Raptor 2 - 230 тонн тяги. Однако недостатком увеличения критического сечения сопла является снижение ISP: Raptor 1 достигает примерно 330 секунд ISP, а Raptor 2 достигает 327 секунд.
Сравнение технических характеристик Raptor 1 и Raptor 2.
Влияние на ускоритель
Несмотря на снижение скорости выхлопа, увеличение тяги резко увеличивает эффективность ускорителя из-за уменьшения гравитационного сопротивления. Первые 9,8 м/с^2 ускорения тратятся исключительно на борьбу с гравитационным колодцем Земли. При соотношении тяги к массе 1,25:1 80 % тяги тратится на борьбу с гравитацией, и только 20 % тяги используется для разгона корабля при 0,25 g. Несмотря на всего лишь 25-процентное увеличение тяги по сравнению TWR 1 : 1, это бесконечно увеличивает ЧИСТУЮ работу, выполняемую на ускорителе.
Поднимая до TWR 1,5 : 1, 66% тяги теряется на гравитацию, а остальные 33% совершает работу по разгону аппарата. Несмотря на увеличение тяги всего на 16 %, это увеличивает работу, выполняемую ускорителем, на 100 %.
Raptor 1 будет иметь приблизительный TWR 1,25 при старте, а Raptor 2 будет иметь TWR 1,5 при старте. Это 100-процентное увеличение работы, выполняемой в начале полета, значительно важнее, чем 1-процентное снижение ISP. Это имеет много преимуществ, например, ракета-носитель находится менее высоко в конце своего горения, уменьшая количество топлива, необходимое для возвращения ракеты-носителя.
График, показывающий гравитационные потери.
Будущее Raptor
Основная цель Маска состоит в том, чтобы стоимость тонны тяги Raptor была ниже 1000 долларов, а это означает, что для производства Raptor необходимо около 250 000 долларов. С этой целью ясно, что SpaceX продолжит делать Raptor более простым и дешевым в производстве, включая удаление всех фланцев на Raptor 2.5 и удаление как можно большего количества 'элементов 3D-печати из производственной последовательности. Raptor 2.5 предназначен для дальнейшего увеличения тяги Raptor до 250 тонн тяги при давлении MCC 330 бар.
Кроме того, SpaceX пытается полностью отказаться от завесного охлаждения двигателя; есть несколько способов, которыми SpaceX может добиться этого, в том числе дополнительное завесное охлаждение или работа MCC с более высоким содержанием топлива. В настоящее время SpaceX изучает, будет ли выгоден отказ от завесного охлаждения горловины сопла.
В целом ясно, что Raptor в настоящее время находится в зачаточном состоянии. Подобно тому, что SpaceX сделала с двигателем Merlin, двигатель будет продолжать развиваться по мере того, как SpaceX будет больше летать, больше строить и больше тестировать.
Поиграем в бизнесменов?
Одна вакансия, два кандидата. Сможете выбрать лучшего? И так пять раз.