Как падает ракета на землю
Что происходит в дальнейшем с отсоединёнными ступенями ракет после того, как они упадут на землю?
Вначале следует разделить ступени на две группы: первые ступени (самые большие, основная часть топлива в которых уходит на преодоление земной гравитации и сопротивления атмосферы) обычно частично сгорают, летя обратно к Земле; вторые и последующие ступени ракет обычно уже работают на создание нужной обриты, то есть при отделении они остаются на промежуточных орбитах.
Ракета-носитель от старта и до отделения спутника, пилотируемого корабля или другой полезной нагрузки, подвергаются воздействию множества факторов, соответственно и отделившиеся ступени подвергаются этим факторам. Если рассмотреть первую ступень ракеты, которая состоит из баков с окислителем и горючим (не будем рассматривать твердотопливные), жидкостными ракетными двигателями, малыми двигателями системы управления и/или аэродинамическими органами управлениями, системой поддержания нужного давления в баках и прочими системами, то при отделении от носителя она ещё продолжает своё движение по баллистической траектории (это даёт возможность, имея ввиду аэродинамические эволюции, просчитать место падения). Когда ступень начала падать, она начинает ускоряться и при достижении достаточно плотных слоёв атмосферы, начинает нагреваться и разрушаться. До какого-то момента она под действием гравитации планеты ещё продолжает набирать скорость, но, войдя в тропосферу и даже раньше, тормозиться (то, что от неё осталось) до дозвуковой скорости. И падает. Эти остатки находят и утилизируют. Даже, если в качестве топлива и окислителя использовались несимметричный диметилгидразин и тетраоксид диазота (очень токсичные вещества), то при сгорании они друг друга дезактивируют, а всё что остаётся в баках догорает в атмосфере.
Вторые и последующие ступени остаются на своих орбитах. Если орбита достаточно низкая (меньше 300 километров), то они постепенно тормозятся и практически полностью сгорают в атмосфере Земли.
Лонгрид: Как и зачем SpaceX сажает ракетные ступени
Почему SpaceX Илона Маска вообще сажает ступени? Почему не используются парашюты? Почему иногда посадка производится на сушу, иногда на плавучую баржу, а иногда вообще не производится? Тему возвращаемых ракетных ступеней окружает очень много таких вот “Почему”. И сегодня мы, Alpha Centauri, разберём большинство из них.
Почему SpaceX Илона Маска вообще сажает ступени? Почему не используются парашюты? Почему иногда посадка производится на сушу, иногда на плавучую баржу, а иногда вообще не производится? Тему возвращаемых ракетных ступеней окружает очень много таких вот “Почему”. И сегодня мы, Alpha Centauri, разберём большинство из них.Итак, первый вопрос, который приходит в голову: зачем вообще нужно сажать и повторно использовать ракетные ступени? Вы наверняка уже много раз слышали о том, что это позволяет удешевить запуски и сделать космос более доступным. Такая себе забота о заказчике. Но на самом деле в вопросе есть не только идеологическая и пиар–составляющая. А гораздо более весомая экономическая. Оператор пусковых услуг, имеющий возможность управлять стоимостью запусков, всегда будет в выигрыше. А многоразовость позволяет ещё и более гибко управлять частотой запусков. Так что получается двойной выигрыш.
Стоимость полностью новой ракеты Falcon 9, а точнее её пуска, — около 62 миллионов долларов. Давайте посмотрим на эту цену наглядно:
Как видим, первая ступень вместе с обтекателем составляют почти три четверти стоимости ракеты. Причём следует понимать, что весомая часть стоимости первой ступени — это девятка двигателей Merlin 1–D. На второй ступени движок всего один.
Зачем вообще нужна вторая ступень и почему одной никак не обойтись — смотрите в нашем видео “проклятье одноступенчатых ракет”:
Сама по себе жидкостная ракетная ступень — это просто большой цилиндр для подачи топлива в двигатели.
Так вот, давайте проведем очень упрощённые математические подсчёты. Допустим, у нас есть целая одна ракета, первую ступень которой мы можем вернуть и повторно использовать 10 раз.
Таким образом для каждого нового запуска нам нужны новая вторая ступень, топливо и головной обтекатель. Ну и обслуживание плюс прибыль. То есть примерно 22 миллиона долларов.
Умножим 22 миллиона на 10 пусков и добавим стоимость первой ступени. Даже от фонаря докинем к ней по миллиону за каждое обслуживание.
Получается 22 x 10 + 40 + 10 = 270 миллионов долларов, суммарная стоимость десяти запусков с одной и той же ступенью. А теперь стоимость тех же десяти стартов, но в случае новой ракеты на каждом:
62 x 10 = 620 миллионов долларов.
Я напомню, что это очень грубые расчёты, они необходимы только для понимания идеи. Из двух компаний, одна из которых вынуждена каждый раз строить новую ракету, а вторая — использует ступени повторно, вторая может позволить себе продавать запуски почти в два раза дешевле. Для сохранения прибыли она может позволить себе цену в 28–30 миллионов долларов, в то время как конкурент может играться в демпинг только пока запуск окупается : а это около 60 миллионов долларов. Запуск одного Протона стоит 65 миллионов долларов, самой тяжёлой версии Ariane 5 — 150 миллионов евро, а старты Delta IV Heavy оцениваются от 160 миллионов долларов.
Поэтому вопрос многоразового использования — это в первую очередь вопрос контроля рынка. Ниже себестоимость — выше возможности управления ценой. Буквально за пять лет SpaceX благодаря гибкости ценообразования практически вывела с рынка коммерческих запусков Роскосмос и серьёзно отъела потенциальных клиентов у Европейских и американских конкурентов, Arianespace и United Launch Alliance.
Но и здесь деньги сами по себе не являются главной целью компании. Как вы знаете, SpaceX сейчас активно занимается выведением на орбиту собственной группировки спутников Starlink. Она позволит покрыть всю планету постоянным качественным соединением. Однако для размещения на низкой околоземной орбите нужны сотни аппаратов, в идеале — даже тысячи! И при возможности вывести всего 60 спутников за раз запланированный минимум в 12 000 аппаратов потребует целых двести запусков. Поэтому максимальное удешевление одного запуска просто необходимо. Обанкротившийся недавно конкурент Starlink, компания OneWeb, которая должна была обеспечить заказами Роскосмос, не даст соврать.
Подведём промежуточный итог. Если вашей целью является запуск пары десятков тысяч спутников и контроль за рынком запусков, вам просто необходим дешёвый носитель и запас в стоимости для демпинга. Именно два этих компонента можно назвать причиной, почему SpaceX вообще взялась за многоразовость.
Хорошо. Как мы знаем, первые ступени Falcon 9 и блоки первой ступени Falcon Heavy совершают реактивную посадку, то есть замедляются до нулевой скорости при помощи реактивной струи из двигателей. Также должна садиться и будущая ракета Starship, испытания её базового прототипа под названием Starhopper мы наблюдали в прямом эфире. Но почему не использовать самый очевидный способ возврата ступени, парашют?
Этот вопрос, кстати, нам продолжают задавать во время прямых трансляций до сих пор. На самом деле здесь в работу вмешиваются три основных фактора.
Во–первых, энтузиасты сообщества cosmos.d3.ru как–то подсчитали, что масса необходимого парашюта будет такой, что обязательно придётся увеличивать топливные баки и загружать больше топлива (либо уменьшать полезную нагрузку), что, конечно, мало кого устроит.
Зависимость от погодных условий тоже никто не отменял: сильный порывистый ветер будет уносить ступень далеко от предполагаемого места падения, а сегодняшние метеорологические возможности не позволяют точно предсказать куда именно должна будет приземлиться наша ракета. Да, иногда запуски Falcon 9 переносят из–за плохой погоды около баржи, но всё–таки реактивная посадка оставляет больший диапазон подходящих погодных условий.
Ну и грустный опыт Шаттлов, да и самих “Фэлконов”, показывает, что приводнение в солёную воду океана может серьёзно навредить электронике. При этом возникнут трудности с быстрым повторным использованием ступени, что противоречит заявленным планам компании в виде возможности повторных запусков в течение одних суток после возврата.
Есть конечно и другой способ использовать парашют, предложенный компанией Rocket Lab, но о нём мы поговорим позже. На деле же если вы всерьёз собираетесь возвращать первые ступени своей тяжёлой ракеты–носителя, реактивная посадка является очевидным, самым удобным и самым надёжным способом.
Ну окей, допустим, мы в ракетной компании решили, что нам нужны многоразовые первые ступени. И что их посадка будет реактивной. Давайте теперь выясним, что они должны “уметь”, какими свойствами обладать.
Во–первых, очевидно, что ступень должна уметь точно садиться в определённую точку, будь то баржа в океане, или площадка на его берегу. То есть нужна система навигации, способная направить ракету в заранее заданную координату.
Чтобы ракета туда долетела, мы должны каким–то образом ею управлять, рулить. Здесь пригодятся движки ориентации и самые настоящие решётчатые рули, позволяющие стабилизировать и направлять ступень, взаимодействуя с потоками воздуха, особенно на сверхзвуковой скорости.
Нам нужно иметь возможность развернуть ракету, направить в нужную сторону, сбросить скорость, и, наконец, мягко коснуться поверхности. То есть нужны двигатели, способные управлять направлением реактивной струи, вектором тяги. Помимо этого, они должны уметь регулировать саму тягу, то есть то, как сильно мы тормозим в определённый момент. Это самый сложный этап посадки, поэтому он является самым важным. Именно поэтому SpaceX начинала разработку Falcon 9 с прыжковых испытаний прототипа под названием Grasshopper, кузнечик. По той же причине строящийся сейчас Starship уже с новыми двигателями в первую очередь научат мягкой посадке. Всё остальное гораздо проще: рули и систему навигации можно испытывать и экспериментировать с ними уже в процессе.
Ну и не стоит забывать об ещё одном важном моменте: для реактивной посадки ступени нам необходимо топливо, которое позволит зажигать двигатели. Здесь мы плавно переходим к следующему пункту.
Да, возврат ступени невозможен с пустыми баками. Нам всегда нужно оставить хоть немного топлива, чтобы выполнить на орбите и около поверхности определённые манёвры, о которых поговорим позже.
Falcon 9 — ракета тяжёлого класса, она способна выводить на различные орбиты довольно тяжёлые грузы. И возможность возврата ступени сама по себе зависит от двух переменных: параметров орбиты (высота, наклонение) и массы выводимой полезной нагрузки.
От массы зависит то, сколько топлива в секунду мы будем сжигать, ведь чем она больше, тем большая тяга необходима. А от орбиты зависит точка, в которой первая ступень окажется после отделения от второй.
Поэтому когда мы запускаем лёгкий груз на низкую околоземную орбиту с удачным наклонением, у нас остаётся много топлива, а путь к наземной посадочной площадке совсем небольшой, топлива вполне достаточно.
Если же запуск производится на сложную геопереходную орбиту, а масса груза подходит к границе возможностей ракеты, то первой ступени потребуется выполнить больше работы. Топлива в баках останется мало, либо вообще не останется, а точка разделения ступеней будет так далеко от суши и от побережья в принципе, что мы не сможем ни направить ракету к посадке, ни затормозить непосредственно в момент посадки. Придётся позабыть о многоразовости и поступить так, как делают конкуренты — просто утопить ступень в океане. Если вы не Китай, сбрасывающий ступени на головы благодарным гражданам.
Но это мы рассмотрели две крайности. А между ними, как вы могли догадаться, наши любимые плавучие платформы: JRTI и OCISLY. Эти автономные баржи применяются тогда, когда топлива недостаточно для возврата ступени на сушу, но хватает для посадки «вниз», в океан. Обычно дистанция от берега составляет около 400 километров, хотя рекорд был достигнут в миссии Falcon Heavy STP–2 в июне 2019 года: тогда баржа находилась в 1239–ти километрах от стартовой площадки. Правда и ступень тогда не села, уж больно сложным был запуск.
Как видите, даже в минимальном приближении посадка — комплексный и сложный процесс. Но мы ведь не можем не рассмотреть его более детально.
Итак, начинается всё в момент разделения ступеней. Тут нас ждёт небольшое количество англоязычных терминов. Мы конечно же поясним их смысл, но точных русскоязычных аналогов подобрать невозможно, потому что Роскосмос не занимается возвратом ракет. Рассмотрим сначала вариант возвращения к месту старта. Первая ступень активно маневрирует двигателями ориентации, чтобы уйти от пламени, вырывающемся из двигателя второй ступени. При этом первая ступень ещё и разворачивается. Включает 3 двигателя Merlin для выполнения Boostback burn — этап, который нужен для погашения и изменения направления горизонтальной компоненты скорости ступени. С вертикальной компонентой справится гравитация Земли, нет смысла тратить на неё топливо. Поэтому при возврате к месту старта первая ступень подлетает вверх.
Перед входом в плотные слои атмосферы выполняется Reentry burn: три двигателя зажигаются ещё раз. Ведь перед ступенью, двигающейся на сверхзвуковой скорости образуется ударная волна, в которой воздух сжимается. Из–за этого повышается его температура. Если ступень будет двигаться слишком быстро, то воздух ударной волны может её перегреть, несмотря на имеющуюся жидкостную систему охлаждения.
После того, как двигатели отработают несколько секунд, в дело вступают решётчатые рули. На сверхзвуковой скорости воздух похож на вязкую жидкость, поэтому в таких условиях очень эффективны эти замечательные устройства, изобретённые в 50–х коллективом, возглавляемым Сергеем Белоцерковским. Их активную работу всегда можно видеть на трансляция SpaceX. На этом этапе главная задача ракеты — затормозить и направиться к нужной точке посадки. И здесь тоже есть свой нюанс.
Во–первых, сама по себе точка посадки. Если речь о суше, то всё понятно: необходимая координата просто находится в центре посадочной площадки. Но как быть с посадкой в океане?
А она тоже точно рассчитана и предопределена! Вопреки расхожему мнению, ступень не летит к дрейфующей плавучей барже. Она направляется в заранее заданную координату, идеальную в плане затрат топлива, в то время как баржа со своей стороны автономно и без управления человеком должна удерживать собственный центр в этой координате. На высоте около 10 километров в работу активно вступает радар на первой ступени: он помогает точно определить, где находится баржа, совпадают ли её координаты с координатами точки посадки и хватает ли топлива для самой посадки. Если что–то идёт не так, ступень автоматически направляется в океан и пытается мягко сесть на его поверхность, чтобы не повредить осколками от возможного взрыва платформу.
Если всё в порядке, начинается завершающий этап.
При подлёте к барже выполняется последнее зажигание двигателей, Landing Burn. Причём рассчитано оно так, чтобы торможение было идеальным и ступень снизила скорость до нулевой ровно в момент касания платформы. Это позволяет избежать удара и подпрыгиваний во время волнения на воде. Хотя удаётся не всегда. Выдвигаются посадочные опоры, которые позволяют мягко сесть, на случай немного жёсткой посадки в опорах есть специальные картриджи, которые, сминаясь, гасят энергию удара…
А затем ступень фиксируется прибывшим персоналом при помощи цепей. При этом у SpaceX есть специальный управляемый удалённо робот OctaGrabber: он должен фиксировать ускоритель при помощи гидравлических домкратов.
Так что в отличие от той же малютки Blue Origin New Shepard, Falcon 9 не зависает над посадочной площадкой: она действительно максимально плавно тормозит до нуля метров в секунду.
Кстати, о Blue origin и прочих конкурентах. Ролик–презентации ракеты New Glenn удивил многих любителей космоса именно тем, что там ступень садится прямо на плавучую платформу во время движения. Обеспечить такую посадку гораздо труднее, поэтому, несмотря на утверждения представителей Blue Origin, будто эта посадка будет более стабильной, я склонен думать, что пока это просто неграмотная анимация, а не реальные планы компании Джеффа Безоса. Скорее всего, New Glenn будут садиться по той же схеме, что и Falcon 9 с Falcon Heavy. Первый полёт ракеты этого семейства запланирован на следующий год, а вот о посадках, помимо того, что они в принципе будут, ничего не известно.
Rocket Lab, которую мы сегодня уже упоминали, планируют другой способ: её лёгкая Electron из углепластика вполне может спускаться на парашютах, правда (помните о вреде солёной воды) не в океан. Парашют должен будет подхватываться специальным вертолётом, который затем мягко опустит ступень на специальное судно. Затея опасная и пока труднопредставимая, но уже в ближайших запусках компания Питера Бека займётся испытаниями этой системы. Зрелище будет очень классное, мы обязательно покажем его в прямых эфирах, которые регулярно проводим на канале. К слову, в марте компания уже успела поймать массогабаритный макет ступени в полёте. Выглядит завораживающе:
Подобный рокетлабовскому подход предлагают и американские конкуренты Илона Маска, United Launch Alliance, только их концепт предполагает возвращение одного двигательного отсека, а не всей ступени. Правда об испытаниях и приблизительных сроках пока ничего не слышно.
О важности многоразовых систем заговорили Европейская Арианспейс и российский Роскосмос, но дальше слов дело тоже пока что не заходило.
Регулярно новости о “КОНКУРЕНТАХ ИЛОНА МАСКА” слышны из Китая: небольшие частные компании Поднебесной периодически проводят тесты зависания и посадки реактивных систем. Но во–первых они всё ещё очень далеки от реализации, а во–вторых речь пока идёт об очень далёких от реальных ракет прототипах.
Так что ближе всего к реализации многоразовых проектов на момент записи этого ролика, весну 2020–го года, находятся Rocket Lab и Blue Origin. И… сама SpaceX, чей Starship потихоньку строится в виде полноразмерных прототипов и активно готовится к прыжкам на несколько километров.
Система посадки этого летательного средства будет аналогична той, что используется в Falcon 9. Только посадка будет всегда на сушу: мощности системы Starship–Superheavy по планам должно быть достаточно для выведения любых адекватных нагрузок на любую орбиту и возврата “домой” на остатках топлива. Сама “первая ступень” системы, ракета SuperHeavy в будущем должна садиться прямо на стартовый стол, но в первых пусках во избежание аварий будет осуществлять посадку на специальных площадках при помощи опор вроде тех, что есть у Falcon 9.
Но обо всём этом нам только предстоит узнать.
Если же говорить о делах насущных, Falcon 9 — единственная многоразовая ракета. Да, пока мы не знаем, сколько раз она действительно может слетать повторно, во сколько именно обходится межполётное обслуживание, но оно точно дешевле, чем производство полностью новой ступени. А значит, SpaceX верно идёт к своей цели.
Спасибо за прочтение материала, надеюсь, он был вам полезен.
Многоразовость. Как ракете вернуться целой после полёта?
Не многие знают, что над вопросом создания многоразовых ракет у нас в стране всерьёз задумались достаточно давно. Как гласят предания, однажды, боковой блок ракеты-носителя типа «Союз» (может это была и «Молния», сути не меняет) очень удачно приземлился. Обычно блок падает двигателем вниз, а тут упал необычным образом — баком вниз, а двигателем вверх. Может дерево задел, может порыв ветра закрутил, не понятно. Но сам факт остаётся фактом и двигатель по внешним признакам был в прекрасном состоянии. Ради интереса его сняли с обломков ракетного блока, поставили на штатный испытательный стенд, и он нормально отработал. После этого по отрасли поползли мысли, что многоразовость ракет и двигателей это не фантастика, а реальность. Говорят, «ЦСКБ-Прогресс», возглавляемое Д.И.Козловым, активно продвигало идеи многоразовых ракетных блоков в рамках темы «Подъём», которую свернули в угоду программы «Энергия-Буран» и её производной — РН «Зенит», на базе которой В.Ф.Уткин планировали делать своё семейство ракет-носителей. Вот такая история. Вообще, по истории многоразовых ракет и теории принятия решений в этой области, можно написать хорошую книгу, которая при должном подходе потянет на художественный роман. Но моей целью является рассказать о том, какие схемы обеспечения многоразовости ракетных блоков есть, почему именно они применяются, чем отличаются друг от друга и какие в них нюансы.
Думаю, всех, кто говорит о многоразовых ракетах в первую очередь вдохновляют самолёты. Эти крылатые машины активно летают, очень надёжны и обладают колоссальным ресурсом. И на них в отличии от ракет можно легко купить билет и полететь куда угодно. Поэтому многие фантасты, кинематографисты и инженеры-конструкторы рисуют в качестве многоразовой ракеты самолёт или ракету с крылом, где как минимум первая ступень садится на космодром по самолётному. Это классический подход, где все стараются по максимуму отталкиваться от достигнутого. Давайте постараемся разобраться, что же нужно ракетам, чтобы вернуться в целости и сохранности.
Вход в атмосферу
Для того, чтобы ракета-носитель вывела спутник на орбиту, спутнику (и последней ступени) надо сообщить скорость в районе 7800 м/с. Для понимания тут нужен порядок цифр, а не точные значения. При этом первая ступень в зависимости от конфигурации ракеты-носителя развивает скорость в районе 1600-3800 м/с. Так вот, при возвращении на Землю ракетный блок входит в атмосферу практически с той-же скоростью, с которой он отделился. Это можно сказать наши начальные условия. При входе в атмосферу ракетный блок испытывает сопротивление атмосферы, которое вызывает механические нагрузки и нагрев. Механические нагрузки (скоростной напор) пропорциональны квадрату скорости, а нагрев (тепловой поток) кубу скорости. При этом и скоростной напор, и тепловой поток прямо пропорциональны плотности атмосферы. Это самые важные соотношения, которые определяют способ вхождения в атмосферу и полёта в ней. И если для компенсации возрастающих нагрузок применяется простой подход — увеличение массы конструкции, то возрастающие тепловые потоки так не скомпенсировать. Тепловые потоки, которые может воспринять конструкция в единицу времени, однозначно определяются применяемым материалом конструкции или её внешней поверхности. При больших скоростях обычные конструкционные материалы просто плавятся. Но из этой ситуации нашли выход. Например, для спускаемых и возвращаемых космических аппаратов активно применяется абляционная теплозащита.
Спускаемый аппарат космического корабля типа «Союз» после приземления
Командный модуль космического корабля «Аполлон» после приземления
На картинках видно, что теплозащита обгорает и уносится. Это её основные свойства — аккумулировать энергию и уноситься прочь. Очень похоже на воду, которая за счёт кипения и испарения сохраняет строго определённую температуру. Но это совсем не многоразовая технология. Такие теплозащитные материалы очень дороги, весят достаточно много и после каждого полёта их надо восстанавливать или менять. На ВА ТКС даже отработали технологию восстановления абляционной теплозащиты после её «выпаривания». Но данная технология оказалась достаточно дорогой и по ряду причин дальше не пошли.
В США для Space Shuttle, а позже в СССР для корабля «Буран» были разработаны углерод-углеродные и кремниевые теплозащитные материалы, которые должны были обеспечивать малый вес и многоразовость.
Теплозащитное покрытие космического корабля «Буран»
Это стало возможно с применением для аппаратов формы планера. Благодаря большой площади поверхности, приходящей на единицу веса, аппарат гасил часть скорости в разреженных слоях атмосферы и входил в плотные слои уже с меньшими скоростями. А используя аэродинамическое качество при входе в атмосферу, аппарат преобразовывал вертикальную скорость в горизонтальную и за счёт этого достаточно плавно снижал свою высоту. Благодаря этим двум факторам удалось снизить тепловые потоки, приходящие на единицу поверхности, что вкупе с радиационным излучением тепла в окружающее пространство, позволило применить данные материалы. В дополнении к этому, планирующий спуск позволил снизить механические нагрузки и перегрузки, которые испытывал планер. В лабораториях углерод-углеродные и кварцевые плитки показывали превосходные результаты. Они эффективно сдерживали потребные тепловые потоки и активно излучали тепло обратно. За счёт низкого коэффициента теплопроводности конструкция космического аппарата не нагревалась выше допустимых пределов и сохраняла свои прочностные свойства. Но в реальности применяемые материалы были очень требовательны к соблюдению технологических процессов их изготовления и нанесения (приклеивания). Самой главной проблемой стала хрупкость материалов, которая никак не оценивалась в математических моделях при проектировании. Например, кварцевые плитки легко продавливались пальцем. Углерод-углеродные плитки с лёгкостью получали сколы на краях. Также кварцевые плитки при полёте в плотных слоях атмосферы от частиц пыли получали значительное эрозионное воздействие, которое требовало последующего восстановления. Часть же плиток просто отваливались в ходе эксплуатации. Всё это привело к тому, что данное теплозащитное покрытие в эксплуатации стало значительно дороже абляционных типов теплозащит. Ну и все наверно помнят катастрофу Шаттла «Колумбия», которая произошла 1 февраля 2003 года из-за повреждения теплозащиты. У корабля «Буран» тоже после первого (или последнего) полёта был серьёзный прогар теплозащитного покрытия, который к счастью был не столь критичным.
Как-же тогда обойти проблему теплового нагрева? А тут опять надо вспомнить, что тепловые потоки пропорциональны скорости в кубе. Как я писал выше, скорость первой ступени может быть раза в три меньше, чем у последней ступени. А значит ракетный блок ускорителя первой ступени при входе в атмосферу может нагреваться в 27 раз менее интенсивно, чем блок, спускаемый с орбитальной скоростью. То есть нам надо понизить скорость объекта, который входит в атмосферу. К сожалению, за счёт аэродинамической формы или аэродинамических эффектов так радикально снизить скорость не получится. Надо либо тормозить, либо просто не набирать такую большую скорость, как это делает первая ступень. Расчёты показали, что если планирующий аппарат развивает скорость до 2500 м/с, то он не испытывает того значительного нагрева, который требует применения специальных теплозащитных материалов. При этом в зализах крыла, на кромках и во всех теплонапряжённых местах необходимо применять титановые сплавы.
Последующие продувки проработанных аппаратов рекомендовали снизить скорость ещё значительней или подобрать аэродинамическую форму, снижающую теплонапряжённость кромок, зализов и подобных им мест. Для классических ракетных блоков значение такой скорости ещё ниже, так как он очень интенсивно погружается в плотные слои атмосферы. По результатам расчётов и реальных полётов оказалось, что ракетный блок не требует особой защиты при скоростях входа в районе 1200 м/с. При скоростях в районе 1400 м/с требуется местное применение специальных тугоплавких материалов или теплозащит. Тут мы видим, что потребное снижение скорости классических ракетных блоков очень значительное и отделять ракетные блоки при такой скорости полёта крайне неэффективно. Так какой выход? А очень простой — затормозить двигателями перед входом в атмосферу, чтобы обеспечить скорость входа в районе 1200-1400 м/с. Весь вопрос в разнице скоростей отделения и входа в атмосферу. Потребность в топливе на такое торможение можно достаточно точно оценить по формуле Циолковского, приплюсовав гравитационные потери на время торможения.
Мягкое приземление
Вот мы кратенько рассмотрели проблему входа в атмосферу для многоразовых ракетных блоков. А теперь кратенько про вопросы мягкого приземления, которое сохранит уже не перегретую конструкцию в целости и сохранности. Опять начнём с крылатой конструкции. Тут наверно сильно объяснять не надо. Все наверно видели, как садятся самолёты. Вот тут аналогичная схема, но с одной оговоркой. Так как такие аппараты не являются самолётами, то горизонтальная скорость их посадки достаточно высокая, что требует длинных посадочных полос высокого качества. На обычной полосе, как в Шереметьево, такой аппарат с большой долей вероятности потерпит крушение. С крылатыми аппаратами думаю разобрались.
А что делать с классическими ракетными блоками? Необходимо сделать так, чтобы при посадке конструкция не получила повреждений. Можно мягко спустить ракетный блок в воду, либо при помощи парашютов, либо за счёт торможения двигателями.
Плавающий ускоритель первой ступени Falcon-9
Такой вариант посадки в воду вроде всем хорош. Но есть пару проблем и практически нерешаемых задач. Не у всех ракет-носителей трассы полёта в зонах падения блоков проходят над водой. Например, при запусках с космодрома «Байконур» такую штуку вообще не сделать, с космодрома «Восточный» крайне проблематично. При контакте с морской водой многие сплавы и материалы начинают достаточно быстро разрушаться. Сама по себе вода может нарушить работоспособность многих механических и электронных систем. Существует проблема сушки блока и очистки от солевых отложений. При контакте с водой горячие элементы конструкции подвержены растрескиванию и получают эффект перезакалки. И в конце концов, качка добавляет нерасчётных нагрузок. Учитывая все эти факторы, посадка на воду специалистами обычно не рассматривается. А если и рассматривается, то достаточно быстро от этой идеи отказываются. Остаётся сажать ракетный блок либо на сушу, либо на морскую платформу.
Платформа добавляет проблем с качкой и дрейфом. Но эффективные системы стабилизации делают платформу для ракетного блока практически сушей. Хотя разработка таких систем стабилизации является дополнительной, но вполне решаемой задачей.
Посадочная морская платформа SpaceX
Далее необходимо определиться со способом посадки. Обычно первое, что предлагают — это парашют. Он всем знаком, вроде как понятен и привычен. Парашют позволяет при приемлемых его площадях и массах снизить скорость спуска до примерно 8-12 м/с. Но мягкую посадку он осуществить не сможет. Для этого дополнительно нужны тормозные двигатели и амортизаторы. Возможно применение только амортизаторов. Если мы хотим приземлить ракетный блок с перегрузкой 2g только при помощи амортизаторов и со скоростью 8 м/с, то в идеальном случае потребуется ход амортизатора 1,63 метра. Потребный ход амортизатора пропорционален квадрату скорости снижения и обратно пропорционален перегрузке. Кстати, формула для расчёта легко выводится из закона сохранения энергии. Надо только приравнять кинетическую энергию к потенциальной. Но продолжим про парашюты. У парашюта есть одно нехорошее свойство.
Классический купольный парашют не обеспечит точности посадки. Платформа с ним бесполезна, а на земле ракета приземлится на кочку или в лес. Для сохранения целостности ракетного блока он должен равномерно приземлиться на все опоры, либо вертикально, либо боком. А после этого он не должен накреняться, падать или катиться. На неподготовленной и заранее не выровненной площадке этого сделать не получится. Многие помнят, как несовершенство алгоритмов стабилизации баржи у SpaceX приводили к последующему падению ракетного блока. На кривой поверхности будет тоже самое. Даже при укладке боком ракетный блок на кривой площадке будет просто переламываться, как это было на испытаниях боковых блоков РН «Энергия».
Схема возвращения бокового блока РН «Энергия» (http://www.buran.ru)
Испытания сброса блоков показали, что при посадке они получали повреждения, не предполагающие их последующего использования. До испытания остальных стадий полёта дело даже не дошло.
Зная об этом, разработчики стали активно предлагать управляемые парашюты-крыло, которые теоретически позволяют спустить груз в точно указанное место. Но такие разработки упираются в несовершенство алгоритмов управления при быстро меняющихся средовых условиях (ветер. порыв и т.п.). Сейчас SpaceX активно испытывают данную технологию для спуска створок головного обтекателя. Помимо управляемого парашюта они используют корабль с огромной сеткой, который постоянно перемещается в попытках поймать створку. Результаты до последнего времени были не особо положительные, но и не безнадёжные. А в последнее время створки обтекателя всё чаще попадают в сеть.
Корабль SpaceX для ловли створок обтекателя
Чтобы решить проблему мягкой посадки парашютирующего ракетного блока моими коллегами, С.В. Антоненко и С.А. Белавским, был предложен вертолётный подхват парашютирующего ракетного блока.
Схема вертолётного подхвата ракетного блока
Преимуществом данной схемы является то, что не надо думать о подготовленной площадке и не надо тратить дополнительную массу на посадочные устройства (амортизаторы). К тому-же схема подхвата парашютирующих объектов в мире хорошо отработана и не вызывает больших вопросов. При необходимости подхвата в море можно использовать морские платформы. Ограничением данной схемы является масса ракетного блока и грузоподъёмность вертолёта. Так, самый большой в мире вертолёт Ми-26 сможет подхватить не более 16 тонн. У ракет семейства «Ангара» ракетный блок весит в районе 11 тонн, у РН Falcon-9 ракетный блок весит уже в районе 23 тонн.
С парашютами думаю закончили. А как-же можно обойтись без парашютов? Для этого можно применить двигатели, которые затормозят ракетный блок перед посадкой до скоростей порядка 1-2 м/с. Точнее посадить сложнее, но в перспективе думаю мы сможем говорить о 0,5 м/с и ниже. Последние крохи должны гасить небольшие амортизаторы. Следует учитывать, что в данной схеме необходима посадка на подготовленную площадку и правильная ориентация ракетного блока при выдаче тормозного импульса. То есть нужны органы управления и стабилизации. На данном этапе развития техники такие системы управления сделать особых проблем не представляет. Алгоритмы управления, наведения и посадки тоже поддаются созданию и отработке. А органы управления в виде газовых реактивных двигателей и аэродинамических рулей уже становятся классикой. Посадочные амортизаторы тоже достаточно неплохо на сегодняшний день отработаны и отработаны как минимум в двух исполнениях, от SpaceX и Blue Origin. Также при таком способе посадки имеются задачи гашения горизонтальных составляющих скорости и угловых скоростей. Но это тоже всё решаемо и даже неплохо отработано.
Посадка на сушу боковых блоков РН Falcon Heavy
Мы видим, что такая схема посадки (приземления) уже хорошо отработана и не таит в себе нерешаемых проблем.
Не куда попало
Наверно это всё о способах посадки. Но как же оказаться в заданном районе или на подготовленной площадке? Аппараты планирующего типа с крылом за счёт аэродинамического качества, как я и писал ранее, неплохо преобразуют вертикальную скорость в горизонтальную. Поэтому они зачастую собственным ходом долетают до посадочной полосы. А если дальности полёта не хватает, то применяются дополнительные воздушно-реактивные авиационные двигатели.
Ракетные блоки классических схем располагают небольшими возможностями по корректировке дальности за счёт установки аэродинамических рулей. Также они могут делать корректировку по дальности при тормозном импульсе, который применяется для снижения тепловых потоков. Но зачастую таких дальностей может не хватать. Посмотрим на наиболее логистически привлекательную схему, когда ракетные блоки возвращаются на космодром и их не надо дополнительно транспортировать на значительные дальности. Так вот, для реализации схемы с возвращением в точку старта, после отделения ракетного блока применяется дополнительное включение ракетного двигателя. При этом двигатель ориентируется так, чтобы обеспечить одновременно снижение скорости полёта и набора возвратной скорости к месту посадки.
Основным преимуществом такого корректирующего импульса является то, что после него основную корректировку по дальности ракетный блок делает, двигаясь практически в безвоздушном пространстве. Такой импульс можно применять не только для возвращения на космодром, но и для посадки практически на любую площадку.
Схема полёта Falcon-9
Для ракетных блоков с парашютами тоже можно применять комбинации корректирующих и тормозных импульсов ракетными двигателями, в прочем как и управление аэродинамическими рулями. Но следует учесть, что парашют потом всё равно в ходе своего функционирования наберёт случайную ошибку до нескольких километров. Про управляемый парашют-крыло я писал.
Заключение
Вот я рассмотрел все этапы полёта многоразовых ракетных блоков и попытался доступно объяснить, что и почему на этих этапах надо делать, чтобы многоразовый ракетный блок вернулся в целости и сохранности. В реальности конечно вопросов и нюансов на несколько порядков больше, но рассмотренные мной вопросы являются основными и определяющими для будущей схемы многоразового ракетного блока. Подытожим по схемам реализации многоразовых ракетных блоков. Основными по моему мнению являются: