Зачем Starship выполняет маневр переворота?

Starship выполняет маневры, которые еще никогда не осуществлялись. Это ракета шириной 9 м и высотой 50 м, которая падает с неба горизонтально, затем переворачивается и приземляется вертикально.

Попытки приземления вызвали много вопросов:

• Почему они делают этот маневр?

• Почему они делают этот маневр так близко к земле?

• Будет ли это когда-нибудь достаточно безопасно для людей?

• Почему они просто не начнут маневр раньше и не убедятся, что есть достаточно времени, чтобы внести поправки, если что-то пойдет не так?

• Допустимы ли получаемые перегрузки?

• Следует ли SpaceX просто переключиться на стиль посадки первой ступени Falcon 9?

В этой статье будут рассмотрены различные аспекты, влияющие на маневр приземления Starship:

• Различные варианты сочетания двигателей в момент приземления

• Предельная скорость

• Гравитационное сопротивление

• Отношение тяги к весу

• Дросселирование двигателя

В предыдущем видео и статье Everyday Astronaut рассмотрел и ответил на вопросы о Starship. «Полное руководство по Starship: Starship vs Falcon 9, что нового и улучшенного?»

Переход Starship от переворота к вертикальному положению

Посадочный маневр Starship — это новый и уникальный стиль посадки ракеты. Starship начинает падать с неба пузом вниз, чтобы максимально сбросить скорость, насколько это физически возможно при свободном падении. На высоте около 500 м он включает два двигателя Raptor, полностью их отклоняет, складывает задние (нижние) закрылки и переворачивается из горизонтального положения в вертикальное, чтобы приземлиться хвостовой частью на свои посадочные опоры.

Когда задние (нижние) закрылки складываются, носовая часть испытывает значительно большее сопротивление по сравнению с хвостовой частью. Это, в сочетании с работающими двигателями Raptor, заставляет хвостовую часть вращаться под носом, переворачивая ракету в вертикальное положение. Когда-нибудь в будущем SpaceX может добавить ускорители горячего газа для помощи во вращении.

В результате того, что Starship запускает двигатели Raptor в горизонтальном положении, они должны выкачивать топливо из специальных баков, называемых головными. Причина этого в том, что двигателям необходимо получать достаточное количество жидкого топлива, но не газообразного. Если продолжать выкачивать жидкий метан (CH₄) и жидкий кислород (LOX) из основных баков, двигатели в конечном итоге получат топливо в газообразном состоянии, что может привести к RUD (быстрой незапланированной разборке) двигателей.

Топливо перемещается на дно Starship

Из-за горизонтальной ориентации ракеты топливо перемещается на сторону, противоположную движению Starship. По мере замедления ракеты из-за постоянно уплотняющейся атмосферы топливо перемещается на дно.

Поскольку подводящие трубы от баков к двигателям Raptor расположены в хвостовой части ракеты, во время опускания хвостовой части двигатели получали бы в основном топливо в газообразном состоянии, если бы они пытались накачивать топливо из основных баков. Головные баки расположены в носовой части и между двумя основными баками Starship, они остаются почти заполненными до начала маневра переворота. Дренажные клапаны на головных баках расположены под небольшим углом для облегчения маневра.

При включении двигателей в горизонтальной ориентации создается значительная горизонтальная скорость, которая затем приводит к запланированному переворачиванию ракеты, чтобы нейтрализовать полученную горизонтальную скорость.

Предельная скорость при приземлении ракеты

Одна из целей маневра переворота состоит в том, чтобы максимально снизить скорость без вмешательства двигателей. Другая цель — контролировать пиковую температуру и ориентацию Starship во время схода с орбиты. Как правило, чем ниже конечная скорость ракеты, тем позже она может выполнить посадку, потому что двигателям больше не нужно снижать ​​большую скорость.

Предельная скорость Starship

Предельная скорость — это максимальная скорость, которую достигает объект при падении через среду, такую ​​как воздух, при которой сила гравитационного притяжения уравновешивается силой сопротивления среды. Предельная скорость изменяется при изменении условий вокруг объекта. Когда давление воздуха увеличивается и атмосфера становится плотнее, предельная скорость уменьшается, потому что объект испытывает большее сопротивление.

Маневр Starship можно сравнить с парашютистом в свободном падении. Когда парашютист падает животом вниз, его тело испытывает максимальное сопротивление воздуха, что означает, что его предельная скорость минимальна. Если бы парашютист падал вниз головой или ногами, у воздуха было бы гораздо меньше поверхности, чтобы замедлять парашютиста.

Так же, Starship имеет возможность изменять свою ориентацию и, следовательно, предельную скорость в зависимости от того, в каком положении находятся закрылки. Закрылки в этом случае напоминают руки и ноги парашютиста. Если закрылки выдвинуты больше, сопротивление Starship увеличится, а если они сложены, сопротивление уменьшится, тем самым увеличивая предельную скорость. Благодаря этому видна четкая разница между спуском первой ступени Falcon 9 и Starship. Первая ступень Falcon 9 имеет гораздо более высокую скорость, чем Starship, когда она спускается через атмосферу, потому что площадь поверхности для увеличения сопротивления меньше (двигателями вниз).

Сравнение Falcon 9 со Starship

Деклан Мерфи из flightclub.io рассчитывает высокоточные симуляции запусков ракет и, в данном случае, профили снижения SpaceX. Flight Club имеет возможность сравнить профиль полета SN8 с миссией Falcon 9 NROL-108. Моделирование показывает, что SN8 падал с максимальной скоростью 150 м/с, а затем, из-за постоянно уплотняющейся атмосферы, замедлился до 90 м/с, его максимальная скорость скорость может быть выше, но непосредственно перед маневром переворота все еще останется достаточно низкой, чтобы выполнить безопасное приземление.

С другой стороны, Falcon 9 приземляется намного быстрее. Несмотря на то, что его пиковая скорость выше, поскольку он начинает снижение на гораздо большей высоте, Falcon 9 все равно повторно запускает свой двигатель(и), пока его предельная скорость составляет 310 м/с. По сравнению со Starship, Falcon 9 имеет более высокую скорость, потому что у него меньшая площадь поверхности для сопротивления воздуху. Точно так же карандаш будет падать быстрее, чем лист бумаги, потому что у карандаша гораздо меньшая площадь поверхности для сопротивления воздуху, чем у листа бумаги.

Несмотря на то, что разница в 220 м/с — лишь часть орбитальной скорости, которая составляет 7800 м/с, маневр переворота может оказаться недостаточным. Однако при наблюдении за элементами отношения тяги к весу и количества топлива, необходимого для различных соотношений тяги к весу, каждый метр в секунду имеет значение.

Отношение тяги к весу

Чтобы ракета зависла, она должна создавать такое ​​же количество тяги, что и веса, при условии отсутствия атмосферы. Объект массой 1 кг весит на Земле 9,8 Н. Это связано с тем, что сила тяжести Земли составляет 9,8 Н. В этом примере ракета весит 1000 Н (или 1 кН) и создает тягу в 1000 Н в противоположном направлении, что означает, что отношение тяги к весу будет равно 1:1. Итоговое ускорение ракеты в этом случае будет равно нулю, потому что тяга ракеты абсолютно противодействует силе Земли.

Когда ракета развивает тягу 900 Н при массе 1000 Н, отношение тяги к весу понижается до 0,9:1. Каждую секунду, когда ракета имеет такое соотношение тяги к весу, она будет увеличивать свою скорость и ускоряться вниз. Однако, если ракета вернется к отношению тяги к весу 1:1, она не будет парить, а вместо этого будет постоянно снижаться со своей текущей скоростью. Соотношение тяги к весу 1:1 просто означает, что текущая скорость ракеты не меняется, независимо от того, парит она или движется.

Возвращение к зависанию

Чтобы вернуться в режим зависания, ракета должна увеличить отношение тяги к весу до значения большего, чем 1:1, чтобы компенсировать скорость движения вниз. В этом примере ракета увеличит свою тягу до 1100 Н, а когда она достигнет нулевой скорости, она вернется к тяге в 1000 Н.

Возможно и обратное. Если предположить, что атмосферы нет, то если парящая ракета увеличит отношение тяги к весу до 1,5:1, она будет ускоряться вверх. Чтобы вернуться в режим зависания, ракета должна создавать отношение тяги к весу менее 1:1, пока ее скорость снова не станет нулевой, после чего она может вернуться к соотношению тяги к весу 1:1 для поддержания нулевой скорости.

Дросселирование при приземлении

Отношение тяги к весу является основным фактором при дросселировании двигателя во время посадки. Если взять в качестве примера Falcon 9, она имеет слишком большую тягу для зависания даже на одном двигателе при минимальном положении дроссельной заслонки. Для того, чтобы Falcon 9 приземлилась нормально, она начнет зажигать двигатели с 70%-ным положением дроссельной заслонки, поэтому имеется возможность регулировать слишком быстрое или слишком медленное снижение. Используя бортовые компьютеры и другие различные инструменты, Falcon 9 будет стремиться иметь нулевую скорость сразу после того, как достигнет нулевой отметки над уровнем моря, выполняя свой маневр посадки.

Торможение у автомобиля

В этом примере, показанном на изображениях ниже, знак остановки — это земля, а автомобиль — падающая ракета. Автомобиль движется со скоростью 50 км/ч, приближаясь к знаку остановки. Цель состоит в том, чтобы остановить автомобиль прямо у знака «Стоп», не касаясь педали газа и не отпуская тормоза.

Использование тормоза с полным усилием было бы эквивалентно перезапуску двигателя ракеты при 100%-ном положении дроссельной заслонки, в то время как отсутствие приложения силы к тормозам является минимальным положением дроссельной заслонки. Прикладывать силу к акселератору было бы то же самое, что вообще не зажигать двигатель.

Отключение акселератора похоже на зажигание двигателя ракеты, как торможение двигателем в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания или рекуперативного торможения гибридных и электрических транспортных средств. У Tesla есть возможность выбирать величину рекуперативного торможения, которая аналогична различным положениям дроссельной заслонки ракетного двигателя.

Дросселирование у автомобиля

В этом примере, низкая величина рекуперативного торможения будет соответствовать минимальной настройке дроссельной заслонки, в то время как большая величина рекуперативного торможения будет соответствовать высокой настройке дроссельной заслонки. Низкое значение приведет к более раннему отпусканию педали акселератора, тогда как высокое значение приведет к отпусканию педали акселератора позже, потому что автомобиль будет замедляться быстрее.

В этом примере, приложение разной силы к тормозам похоже на дросселирование ракетного двигателя. Если автомобиль начинает торможение раньше, он может оказывать меньшее давление на тормоза, чтобы автомобиль приблизился к знаку остановки. Однако, если автомобиль останавливается перед знаком «Стоп» после полного отпускания тормозов, это то же самое, что ракета, достигающая нулевой скорости над землей и упавшая до конца.

С пониманием отношения тяги к весу и того, как дросселировать двигатель при посадке, легче узнать, как потеря силы тяжести определяет оптимальное соотношение тяги к весу, чтобы максимально использовать оставшееся топливо.

Противодействие силе тяжести при посадке

Противодействие силе тяжести — это когда ракета использует двигатель для борьбы с гравитацией. В этом примере ракета запускается с соотношением тяги к весу 1:1. Каждую секунду двигатель создает столько же тяги, сколько весит ракета, он просто тратит топливо без ускорения.

Для замедления ракеты отношение тяги к весу должно быть выше 1:1. При соотношении тяги к весу 1,1:1 91% топлива, используемого в настоящее время в ракете, борется с гравитацией, а остальные 9% используются для доставки ракеты туда, куда ей нужно.

При соотношении тяги к весу 1,5:1 66% топлива используется для борьбы с гравитацией, а 33% топлива используется для ускорения транспортного средства. Благодаря этому тяга ракеты увеличилась на 36% по сравнению с соотношением тяги к весу 1,1:1, что в пять раз превышает итоговое ускорение. Отношение тяги к весу 1,1:1 приведет к итоговому ускорению 0,1 G, тогда как отношение тяги к весу 1,5:1 приведет к итоговому ускорению 0,5 G.

Выше и выше

При увеличении отношения тяги к весу до 2:1 50% топлива используется для борьбы с гравитацией, а остальные 50% — для ускорения аппарата. В этом случае тяга увеличивается только на 33%, но ракета дает вдвое большее ускорение по сравнению с соотношением тяги к весу 1,5:1.

При соотношении тяги к весу 3:1 только 33% топлива используется для борьбы с гравитацией, а остальные 66% используются для ускорения аппарата. Тяга была увеличена на 50%, а ускорение ракеты увеличилось вдвое. При наличии гравитации потеря топлива на борьбу с ней обязательна.

Если взять в качестве примера Falcon 9 и зажигание её двигателей, то при низком соотношении тяги к весу (1,1:1) ей пришлось бы начать свой посадочный маневр на большей высоте, так как она замедлялась бы с итоговым ускорением всего лишь 0,1 G. Это привело бы к потере большого количества топлива, так как двигателям пришлось бы работать значительно дольше.

Если бы отношение тяги к весу Falcon 9 в этом примере было бы 2:1, у неё было бы итоговое ускорение 1 G, она могла бы начать свое приземление ближе к земле и потратила бы меньше топлива, поскольку двигатель не работал бы так долго.

Переворот Starship на разной высоте

Главная причина, по которой Starship переворачивается так близко к земле, заключается в том, чтобы максимально уменьшить предельную скорость. Таким образом, это уменьшит количество работы по замедлению, которую должны выполнять двигатели, чтобы мягко посадить Starship.

Каждый из трех двигателей Raptor, установленных на днище Starship внутри юбки, может дросселировать от 40% до 100% максимального газа. Это позволяет использовать разные комбинации тяги за счет дросселирования двигателей на разный процент. Один двигатель может создавать тягу от 880 кН до 2200 кН, с двумя двигателями — от 1760 кН до 4400 кН тяги, а со всеми тремя работающими двигателями тяга достигает от 2640 кН до 6600 кН.

Маневра переворота возможно выполнять на разных двигателях и отказоустойчивых комбинациях, дающих одинаковый результат. Если три двигателя работают с минимальным открытием дроссельной заслонки 40%, отношение тяги к весу будет около 2:1. Это больше, чем один Raptor на полной тяге, и это приведет к очень позднему началу посадки, чтобы ракета не начала взлетать, поскольку вертикальная скорость убирается.

Если Starship потеряет один из трех двигателей, два оставшихся двигателя могут дросселировать, чтобы соответствовать выходной тяге всех трех. В сценарии зажигания только одного двигателя маневр может начаться намного раньше, однако достигнутая максимальное отношение тяги к весу будет только 1,6:1. Для этого потребуется значительно больше топлива по сравнению с зажиганием всех трех или даже двух двигателей. С точки зрения непредвиденных обстоятельств, если один работающий двигатель выйдет из строя, не будет достаточно времени, чтобы снова запустить другой.

Различные варианты высоты для маневра

Starship имеет различные варианты начальной высоты для маневра переворота. Самая высокая точка начала маневра находится на высоте 2,5 км с двумя двигателями во время переворота, затем с выключением одного и поддержанием почти минимального положения дроссельной заслонки.

Самая низкая точка, с которой Starship может начать маневр переворота, составляет 300 м, для чего требуется, чтобы все три двигателя Raptor были установлены с максимальным положением дроссельной заслонки. Starship и его пассажиры будут испытывать 4,5 G в этот момент.

Starship может переворачиваться на любой высоте от 2,5 км до 300 м. На высоте 550 м Starship может отключать разное количество двигателей, не имея при этом длительного и неэффективного использования при посадке.

Переворот на большой высоте на 2,5 км потребует на 370 м/с больше delta-v (изменения скорости), чем при запуске с 550 м. Поскольку для выхода на орбиту требуется примерно 7800 м/с, использование 370 м/с при приземлении снижает полезную нагрузку. Выполнение маневра переворота на 2 км выше может означать выведение на орбиту массы полезного груза на 20 т меньше. Это связано с тем, что скорость 370 м/с, необходимая для посадки, не будет использоваться для вывода полезной нагрузки на орбиту.

Экипаж во время маневра

Поскольку конечные планы SpaceX заключаются в отправке людей на Марс, маневр посадки, необходимый для выполнения этой задачи нужно выполнить как можно скорее. В настоящее время двигатель Raptor все еще находится на начальной стадии разработки, и ему предстоит пройти еще много испытаний. По мере увеличения надежности двигателя повышается и надежность посадочного маневра. Starship должен будет успешно пройти множество испытаний, прежде чем люди получат возможность на нем летать.

Перегрузки

Пиковая перегрузка во время маневра переворота составляет всего 2,5 G, или в 2,5 раза больше силы тяжести Земли. Пассажиры могут почувствовать некоторую дезориентацию во время перехода из горизонтального положения в вертикальное, но нагрузка на их тело будет не выше, чем та, которую они испытывали бы на большинстве американских горок. SpaceX может установить вращающиеся сиденья в будущем, чтобы удерживать перегрузки, воздействующие на тело, только в одном направлении.

Фактически, нос Starship не очень сильно перемещается, несмотря на то, что хвост стремительно переходит из горизонтального положения в вертикальное. По сравнению со Starship, Flacon 9 может достигать пяти G во время посадки.

Заключение

Starship выполняет новый уникальный маневр приземления. Ни одна другая ракета или компания никогда не пытались применить такой сложный метод возвращения ракеты. Влияние и аспекты предельной скорости, гравитационного сопротивления и противодействие силе тяжести позволяют найти оптимальную высоту переворота, чтобы найти компромисс в эффективности и безопасности.

SpaceX пришла к выводу, что оптимальная высота для начала маневра переворота Starship составляет около 550 м. На этой высоте Starship использует наиболее эффективное количество delta-v около 250 м/с, а также имеет возможность безопасно приземлиться в случае неисправности двигателя. Это позволит Starship запуcтить двигатели и использовать оптимальное соотношение тяги к весу 1,6:1 для замедления и приземления.

Масса полезной нагрузки, которую Starship может вывести на орбиту, также может определяться высотой, на которой он выполняет свой маневр. Меньше delta-v, используемого при посадке, означает, что больше delta-v может использоваться для вывода объектов и/или людей на орбиту. В конце концов, общая цель SpaceX — использовать Starship, чтобы в конечном итоге доставить людей на Луну, Марс и далее.