NSF: Starship успешно прошел четвертое летное испытание
Автор Адриан Бейл, 5 июня 2024 г.
Первоисточник
Starship Flight 4 запускает двигатели перед стартом. Автор: Шон Доэрти из NSF
Чуть более чем через год после первого комплексного летного испытания SpaceX в четверг успешно запустила четвертый полет Starship. Впервые Super Heavy успешно совершил посадку, в то время как Starship смог вернуться в атмосферу – несмотря на значительные повреждения передней закрылки от прожига – и мягко приземлился в Индийском океане. Это знаменует важный шаг в программе Starship и прокладывает путь к будущим, более интенсивным испытательным полетам.
ПРЯМАЯ ТРАНСЛЯЦИЯ:
Обзор миссии
Четвертый полет Starship стартовал с орбитальной стартовой площадки на космодроме SpaceX в Бока-Чика, Южный Техас, в 7:50 утра по восточному времени. Примечательно, что один внешний двигатель Raptor отключился сразу после старта, чего не было со времен первого полета Starship в апреле 2023 года.
После того, как в третьем полете был достигнут вход в атмосферу с потерей контроля ориентации, целью этого полета было дальнейшее продвижение к входу в атмосферу, проверка системы тепловой защиты (TPS) на корабле Ship 29.
Однако эта миссия позволила бы не только продолжить вход в атмосферу, но и полностью пройти его. Бортовые двигатели Starship смогли управлять кораблем до и во время входа в атмосферу, сохраняя устойчивость корабля на всем протяжении. Корабль успешно прошел пиковый нагрев и максимальное динамическое давление.
Однако на этом волнение, обещанное SpaceX, не закончилось. По неизвестной на данный момент причине плазма начала прожигать шарнир передней закрылки корабля Ship 29 с правой стороны. Учитывая, что Starship никогда не заходил так далеко до входа в атмосферу, о чем-то подобном не могло быть и речи. И хотя были оторваны большие куски закрылков, по-видимому, включая самый задний шарнир, панель управления все еще могла работать и помогать кораблю выполнять его фирменный маневр «перевернись и тормози» - быстрый переход из горизонтальной ориентации в вертикальную, чего не было с момента полета SN15 в мае 2021 года.
Вид корабля Ship 29 в режиме реального времени во время входа в атмосферу из переднего закрылка с сигналом, предоставленным компанией SpaceX Starlink constellation. Фото: SpaceX на X
Благодаря все еще раскаленному переднему закрылку и достаточному управлению Ship 29 смог повторно запустить свои двигатели Raptor и мягко приземлиться в Индийском океане, завершив четвертое летное испытание Starship. Корабль, вероятно, развалился после опрокидывания.
Что касается ракеты-носителя, то целью рейса 4 было тестирование исправлений проблем с блокировкой, которые привели к преждевременному отключению нескольких двигателей Raptor на предыдущей ракете-носителе, Booster 10, когда она пыталась приземлиться в Мексиканском заливе. Эти исправления казались успешными, поскольку ракета-носитель Booster 11 мягко приземлилась в заливе, прежде чем перевернуться, несмотря на то, что один из 13 двигателей не смог повторно включиться для посадки. Основываясь на комментариях Илона Маска после полета, SpaceX может попытаться перехватить инициативу в следующей миссии.
Дальнейшие изменения в профиле полета включали сброс кольца «горячей ступени» сразу после окончания работы ускорителя. Кольцо «горячей ступени» позволяет безопасно отводить выхлопные газы двигателей корабля, когда они включаются, все еще будучи присоединенными к ускорителю.
Кольцо «горячей ступени» в стеке flight four. Спасибо Мэри (@bocachicagal) от NSF.
Поскольку кольцо имеет прочную защиту, оно увеличивает массу ракеты-носителя. Вот почему SpaceX решила выбросить кольцо за борт, чтобы увеличить шансы на успешную посадку ракеты-носителя на этом этапе испытаний. Когда Starship V2 дебютирует в пока неизвестную дату, он будет оснащен гораздо более легким кольцом «горячей ступени», постоянно закрепленным на переднем конце ракеты-носителя.
Перекачка топлива и открытие люка для полезной нагрузки, которые присутствовали в последнем полете, не были включены в этот полет. По данным SpaceX, демонстрация передачи топлива в последней миссии прошла успешно, в то время как испытание двери с полезной нагрузкой, скорее всего, считается некритичным для этой миссии, и SpaceX переориентировалась на процессе возвращения транспортных средств.
Booster #11
Ракета-носитель оснащена 33 двигателями Raptor, которые были испытаны в ходе статических огневых испытаний 5 апреля.
Ракета-носитель была похожа на свою предшественницу, но с обновлениями, обеспечивающими успешное возвращение в назначенную зону посадки. Это включало в себя дополнительные обновления для предотвращения засорения, что, скорее всего, означало изменения во внутренней системе фильтров, которая фильтрует жидкий кислород и метан, чтобы предотвратить попадание твердых веществ в двигатели.
Высота ракеты-носителя, включая кольцо горячей установки, составляет 71 метр, а основной диаметр - девять метров, без учета курантов или ребер решетки из нержавеющей стали. Она может вмещать до 3400 тонн топлива, хотя SpaceX не полностью загрузила ускоритель во время этих испытательных полетов.
Все 33 двигателя Raptor запускаются при старте в режиме поэтапного зажигания, производя тягу до 7 590 тонн мощности.
В верхней части ракеты-носителя, под кольцом «горячей ступени», расположены четыре решетчатых ребра из нержавеющей стали, которые используются для направления ракеты-носителя на более поздних этапах посадки. В отличие от Falcon 9, SpaceX убрала возможность разворачивать и хранить решетчатые ребра сбоку от корабля, что означает, что эти решетчатые ребра всегда развернуты.
Самый верхний из двух резервуаров для хранения жидкого метана соединен с двигателями Raptor с помощью большой передаточной трубки, которая проходит через нижний резервуар для жидкого кислорода. В нижней части топливного бака LOX установлен отдельный резервуар меньшего размера, в котором хранится метан исключительно для посадки.
Большой коллектор в нижней части ракеты-носителя снабжает двигатели Raptor метаном. После того, как полет 2 Starship продемонстрировал проблемы с выплескиванием топлива, ожидалось, что прямо над этим коллектором будет установлена перегородка для выплескивания. Линия сварки в этой области создает впечатление, что эта функция была скопирована с Falcon 9 и интегрирована в Super Heavy. Эта перегородка предотвращает хлюпанье в нижней части транспортного средства, которое может вызвать проблемы с управлением.
Из 33 двигателей Raptor внешнего кольца раскручиваются газогенераторы и запускаются двигатели с пусковой площадки, в то время как 13 внутренних двигателей могут запускаться самостоятельно. Это необходимо, поскольку эти внутренние 13 двигателей используются для торможения корабля и посадки, в то время как внешние 20 двигателей используются только для этапа набора высоты в полете.
Ship 29
Корабль Ship 29 был частью той же версии сборки, что и корабль Ship 28, хотя в нем было внесено несколько незначительных изменений. Как и у всех «орбитальных» Starship, его шесть двигателей raptor разделены на три двигателя Raptor для работы на уровне моря в центре и три вакуумных двигателя Raptor вокруг внутренних двигателей. Эта комбинация двигателей позволяет Ship обладать достаточной эффективностью и тягой для выполнения своей миссии.
11 марта Ship выполнил запуск всех шести двигателей, за которым последовали два статических испытания 25 и 27 марта. В первом статическом огневом испытании были протестированы все шесть двигателей Raptor, в то время как во втором были продемонстрированы возможности снижения с орбиты только с одним двигателем Raptor.
Высота Ship 29 составляла 50 метров, диаметр активной зоны был таким же девятиметровым, как у ракеты-носителя. Этот диаметр не включала закрылки корабля. Ship оснащен носовым и кормовым закрылками, которые помогают управлять им во время входа в атмосферу и увеличивают площадь поверхности во время входа в атмосферу, чтобы снизить конечную скорость корабля.
Ship имел 1200 тонн топлива и мог развивать до 1500 тонн тяги. Ожидается, что в дальнейшем Starship сможет выводить на низкую околоземную орбиту более 100 тонн полезной нагрузки, на что не способны нынешние прототипы.
Второй WDR
Конфигурация бака такая же, как и на ракете-носителе, с метаном в верхнем баке и жидким кислородом в нижнем. На самом верху корабля расположен коллекторный бак, который используется во время маневра «перевернись и тормози», чтобы предотвратить взбвлтывания топлива.
Эта версия корабля оснащена диспенсером, который в конечном итоге будет использоваться в миссиях Starlink, позволяя ему развертывать более крупные варианты спутников на орбите. В будущем ожидаются различные версии корабля, которые смогут доставлять более крупные спутники или даже людей обратно на Луну для программы НАСА «Артемида».
Обратный отсчет
За несколько часов до начала показа графика на веб-сайте SpaceX дорога в Бока-Чика была перекрыта, а деревня эвакуирована. Это связано с повышенной опасностью вокруг места запуска во время полета. Орбитальный резервуарный парк, клапаны предварительного охлаждения, насосы и все остальное также были запущены за несколько часов до того, как корабль и ракета-носитель приступили к загрузке топлива.
Около 1:15: 00 SpaceX провела опрос, чтобы проверить готовность к загрузке топлива. После того, как все системы были проверены на готовность к полету, загрузка жидкого метана началась через Т-49 минут, за которой последовала загрузка жидкого кислорода через Т-47 минут.
Стартовая площадка с воздуха, через Джека Бейера для NSF
Ранние загрузки топлива начинаются с корабля. Это связано с текущей конфигурацией резервуарного парка, которая позволяет заправлять ракету-носитель намного быстрее, чем корабль. Через семь минут после запуска корабля ракета-носитель начала загрузку на 40 минут раньше прогнозируемого T0.
В 19:40 33 двигателя Raptor под разгонным блоком 11 и шесть двигателей на корабле начали охлаждаться. Это подготавливает двигатели к внезапному криошоку, когда начинается полный расход топлива непосредственно перед воспламенением.
Примерно в 3:20 для корабля и в 2:50 для ракеты-носителя загрузка топлива была завершена, и давление в баках было доведено до полетного. За 30 секунд до старта директор по запуску SpaceX подтвердил готовность к запуску; через 10 секунд была активирована массивная дренажная система в нижней части орбитальной стартовой площадки.
Эта система была установлена после первого полета и предназначена для предотвращения быстрого разрушения стартовой площадки при возгорании 33 двигателей Raptor. Он запускает воду против тяги Raptors, чтобы избавиться от огромной энергии, которую эти двигатели выделяют при старте.
Запуск IFT-3 через Мэри (@bocachicagal) для NSF
На T-3 секунде Raptors воспламенились. Обратите внимание, что на данный момент Starship больше не оснащен прижимными зажимами. Они снимаются задолго до воспламенения. Реактивный двигатель поднимется в воздух, как только двигатели увеличат обороты и тяговооруженность реактивного двигателя превысит 1.
Ракета-носитель с кораблем достигли максимальной нагрузки при T + 1: 02, что было моментом наивысшей механической нагрузки на ракету. По мере разрежения воздуха скорость увеличивается. Примерно в это же время Starship перешел на сверхзвуковой режим.
Starship Flight 2 проходит через max-Q. Автор: Тайлер Грей из NSF.
В T + 2:41 ракета-носитель выполнила мероприятие под названием MECO. Для большинства ракет это означает «отключен главный двигатель», но для Starship это переводится как «отключено большинство двигателей», поскольку выключены все двигатели, кроме нескольких. Это также произошло, когда Starship включил свои собственные шесть двигателей в ходе маневра «горячего разделения», разделив обе ступени, в то время как разгонный и корабельный двигатели все еще работали.
Затем ракета-носитель запустила десять дополнительных двигателей для торможения, который продолжался более минуты до T + 3:52. Всего две секунды спустя, в T + 3:54, кольцо «горячей ступени» было сброшено за борт, когда ракета-носитель начала переворот.
В T + 6:43 ракета-носитель выполнила последний запуск 13 двигателей Raptor для маневра при посадке, прежде чем выключить все двигатели, кроме трех внутренних. Работа двигателей продолжалась 20 секунд и – впервые – закончилась мягким приводнением в Мексиканском заливе. Как указывалось ранее, сработали только 12 из 13 двигателей, однако ракета-носитель, по-видимому, смогла компенсировать меньшую тягу.
Дальнейшее восстановление ракеты-носителя не планировалось. SpaceX попытается затопить его, открыв все клапаны, чтобы затопить баки, и если это не сработает, для затопления корабля будут использованы взрывные устройства.
Тем временем Ship 29 продолжал вести разгон до T + 8:23, когда его Raptors были отключены. Это вывело корабль на околоорбитальную траекторию с перигеем чуть ниже поверхности Земли. Затем корабль перешел к 40-минутному этапу пассивного полета к месту возвращения.
В T + 47: 25 корабль начал повторно входить в атмосферу Земли, в результате чего вокруг его поверхности образовалась плазма. Это возвращение продолжалось около 15 минут, прежде чем он перешел к полету с околозвуковой скоростью. В результате одно из передних закрылков корабля было сильно повреждено плазмой, хотя корабль все еще мог в основном сохранять контроль.
Прошлые миссии
Starship уже выполнил несколько испытаний на низкой и большой высоте, а также три комплексных летных испытания Starship.
В начале программы SpaceX использовала платформу Starhopper в качестве испытательного стенда двигателя Raptor. Первоначально ожидалось, что в этой системе будет использоваться до трех двигателей Raptor для испытаний на больших высотах. Тем не менее, в конце концов, он выполнил только прыжок на малой высоте и прыжок на 150 метров, прежде чем был списан в пользу более совершенных летных прототипов.
После нескольких неудачных испытаний первым Starship, который снова поднялся в воздух, был SN5. SN5 был прототипом, который успешно пролетел до 150 метров, став первой полетной секцией полномасштабного бака. SN6 повторил этот профиль полета всего месяц спустя, в 2020 году.
Прототипы SN8 / SN9 / SN10 / SN11 и SN15 выполнили полетные испытания на большой высоте, чтобы проверить маневр системы Starship с падением на брюхо. Только прототипы SN10 и SN15 совершили посадку, хотя вскоре после этого SN10 взорвался.
После этого SpaceX перешла к комплексным летным испытаниям.
В первом полете полного комплекта Starship 20 апреля 2023 года с разгонным блоком Booster 7 и кораблем Ship 24 произошло несколько отказов двигателей Raptor по пути наверх. Это произошло из-за пожара в двигательном отсеке корабля, в результате которого во время набора высоты отказывало все больше и больше двигателей Raptor. В полете 1 не удалось успешно разделить ступени корабля.
Несколько месяцев спустя последовал полет 2 с модернизированной системой отвода воды на площадке, обновленными возможностями пожаротушения и маневром «горячего разделения» в качестве новой добавленной возможности. «Горячее разделение» сработала, как планировалось, и вторая ступень успешно включила двигатели. Однако ракета-носитель Booster вышла из строя вскоре после начала торможения с обратной подачей топлива, и корабль Ship не достиг полной продолжительности горения, как планировалось. В этой миссии участвовали корабли Ship 25 и Booster 9.
В последнем полете с разгонным блоком №10 и кораблем №28 кораблю удалось вернуться в атмосферу, и разгонный блок значительно продвинулся в режиме обратного торможения. Однако из-за сбоев в системах корабля были потеряны обе ступени: ракета-носитель вскоре над Мексиканским заливом и корабль во время входа в атмосферу.