В ночь на понедельник должен был состояться (перенесли на сутки) старт ракеты Falcon 9R, который будет особенным сразу в трех отношениях. Во-первых, должна стартовать новая версия ракеты-носителя (v. 1.2) с увеличенной тягой двигателей и большим количеством топлива на второй ступени. В-вторых, эта миссия является возобновлением полетов после летней аварии и полугодового перерыва. Ну и в-третьих, впервые для SpaceX и во всей истории космонавтики будет предпринята попытка мягкой посадки первой ступени на космодром старта. Для выполнения последней задачи первой ступени надо будет развернуться после отделения, затормозить, погасить горизонтальную скорость, еще раз развернуться для финального торможения, выйти в район посадки и совершить мягкую посадку. К счастью, благодаря замечательному сценарию для Orbiter мы можем посмотреть на этот процесс почти как непосредственные зрители.
Подготовка
Для виртуального полета вместе с ракетой Falcon нам потребуются:
Порядок установки: сначала Orbiter, затем аддон Falcon 9R, затем дополнение OG2.
Сценарий не требует какого-либо пилотирования и хорошо подходит для знакомства с симулятором.
Немного теории
В момент разделения первой и второй ступеней Falcon 9 находится на высоте в районе 90 км и движется со скоростью под два километра в секунду. Для того, чтобы вернуться на старт, первой ступени необходимо погасить горизонтальную составляющую скорости и начать разгоняться в обратную сторону. Профиль полета хорошо иллюстрирует эта схема:
Это же фото в большом размере
Оранжевым отмечены участки работы двигателей, после разделения двигатели первой ступени будут включаться еще три раза. Сначала на трех двигателях ступень погасит горизонтальную скорость и разгонится в сторону космодрома. Затем, также на трех двигателях, ступень притормозит, падая с 90 до 50 км, потому что ракета имеет очень небольшую площадь поперечного сечения и плохо тормозится набегающим потоком. Также на этом участке, наверняка, будет произведено более точное прицеливание в море около точки посадки (на случай отказа двигателя на финальном этапе). Затем, при третьем включении уже только одного двигателя, ракета сойдет с безопасной траектории и произведет посадку на основную или четыре запасных площадки. Между местами старта и посадки всего 9 км.
Что любопытно, несмотря на то, что возврат на стартовую площадку еще ни разу не использовался в истории космонавтики, этот режим отрабатывался для Спейс Шаттла. В случае аварии в начале полета шаттл должен был перейти в режим RTLS Abort (Return To Launch Site — возвращение на место старта). Сразу после сброса твердотопливных ускорителей шаттл должен был развернуться, погасить скорость (в какой-то момент он бы оказался «висящим» с нулевой горизонтальной скоростью, что очень нервировало астронавтов, несмотря на понимание физики процесса), разогнаться в обратную сторону и совершить посадку на аэродром мыса Канаверал. Этот режим ни разу не пришлось использовать, но он был полноценно рассчитан, проверен, запрограммирован, и астронавты были на него натренированы.
Полетели!
Вернемся к Falcon 9. Нам нужен сценарий OG2 Launch.
Запускаем
Все очень красиво, но ночью посадка будет менее зрелищной. Поэтому немного схитрим. У всех будет 01:25 UTC, а у нас уже утро. Можно промотать время вперед с помощью ускорения времени по T и вернуть нормальную скорость времени по R, но лучше поступить изящнее — по Ctrl-F4 открываем редактор сценариев и перематываем время на 15 часов UTC.
Вот так гораздо лучше:
Нажимаем кнопку V, и ракета отправляется в полет. По F2 переключаемся на камеру около ракеты:
Приближаемся к скорости звука. Автор сценария не поленился изобразить эффект Прандтля-Глоерта за головным обтекателем (дымка от конденсирующегося водяного пара в местах с пониженным давлением воздуха около летательного аппарата):
Высота 90 км, скорость 1,8 км/с. Точные данные в циклограмме полета пока неизвестны, но эти примерные значения близки к истине — баллистику и законы физики никто не отменял. Отделение первой ступени:
Нажав F3, переключаемся на первую ступень:
Она активно разворачивается на газовых двигателях ориентации на торможение:
По клавише F1 можно переключиться в режим кокпита, там вовсю работает автоматика.
Обратите внимание, у пустой ступени запас топлива позволяет изменить скорость еще на целых 2,8 км/с. Это топливо могло пойти на разгон всей ракеты, и несложный расчет по формуле Циолковского показывает, что в баках остается еще примерно 30 тонн топлива. Такого количества хватило бы, чтобы придать второй ступени дополнительные примерно 500 м/с. Это много, и одноразовая ступень имела бы более высокую грузоподъемность. Увы, такова плата за многоразовость.
Тем временем, ступень развернулась и начала тормозить. Что любопытно, из-за достаточно заметной вертикальной компоненты скорости ступень, скорее всего, действительно будет тормозить «носом вниз», а не как на картинке выше.
Первый этап торможения закончен. Горючего осталось всего на 1,5 км/с. Высота 180 км, ступень разворачивается двигателями вниз на второй этап торможения.
На высоте 50 км тормозимся с 1,6 км/с до 1 км/с. Аэродинамические рули раскрыты и работают. Запаса характеристической скорости (delta-V) осталось на 1 км/с.
Еще одно включение двигателя, которого не было на циклограмме, скорость погасили до 200 м/с.
Высота 2 км, раскрываются посадочные опоры.
Финальное включение двигателя:
И идеальная посадка. Конечно же, посадка в симуляторе проще реальной. Автомат даже умудрился сэкономить 200 м/с. Кстати, в случае успешной посадки эту первую ступень не будут использовать повторно, а отправят на изучение на стендах SpaceX. Дорога к повторно используемым ступеням не является прямой и легкой, например, серьезные проблемы могут возникнуть с сажей от сгорающего в двигателе и газогенераторе керосина.
Переключаемся на вторую ступень — а она еще выходит на орбиту:
По окончании выведения сбрасываем вторую ступень кнопкой J:
И красиво раскидываем спутники по космосу из диспенсера. В реальности этот процесс будет происходить с гораздо большими паузами.
Старт в понедельник перенесли на сутки, значит можно спокойно разобраться в Orbiter, как он будет производиться. Ну и пожелаем удачи команде SpaceX!
Материалы по симулятору Orbiter по тегу Orbiter.
Комментарии (31)
Serenevenkiy
21.12.2015 09:48+4Вчера, когда впервые увидел схему посадки, был сильно удивлён. Это же жутко энергонеэффективно! Надо полностью погасить горизонтальную скорость и ещё и вернуться. Идея с баржей в море теперь выглядит не такой безумной.
paul_155
21.12.2015 11:18+2фалькон способен вынести тонн 14. сейчас летят не очень тяжелые спутники. так что либо заправлять меньше, либо попытаться спасти. керосин-то дешевле ступени.
lozga
21.12.2015 17:52+1У баржи свои проблемы, погода и качка, как основные. Но топлива тратится на такой маневр много, факт.
timka05
21.12.2015 10:14+1Интересно, а использовать парашют (нужной площади, весь сбрасывают же танки на куполах) для стабилизации падения и снижения вертикальной скорости вместе части тонн топлива на каком-то этапе посадки с последующим отстрелом и посадкой на двигателе, почему не решили?
TheEternal
21.12.2015 15:57+2Кто-то уже расписывал — проблема с парашютом в том, что он дает нагрузку на растяжение(точка крепления сверху), а двигатели — на сжатие.
Для парашютного спуска понадобится усиливать конструкцию, что сводит на нет все плюсы.
Bluewolf
21.12.2015 16:51Путем сложной активной стабилизации можно точку крепления сделать и снизу :) Но не факт, что это вообще реализуемо на практике.
lozga
21.12.2015 17:54+1Сейчас сложно сказать. Может через много лет в мемуарах узнаем, почему было принято то или иное инженерное решение.
3dtim
23.12.2015 10:56Неужели горизонтальная скорость 1й ступени в момент отделения от ракеты (судя по скриншоту) составляет dV=2855,7 м/с? Откуда такая колоссальная скорость, ведь траектория полета близка к вертикальной.
Serenevenkiy
23.12.2015 11:46Это не скорость первой ступени. dV — это мера возможности изменять скорость. То есть объект может изменить свою скорость на 2855 м/с.
Как всегда, воспользуемся Wiki KSP:
Характеристическая скорость (?v)
Максимальное приращение скорости, которое может произвести космический аппарат. Измеряется в метрах в секунду (м/с). Увеличение массы аппарата снизит эту скорость, что потребует более мощного двигателя для достижения той же характеристической скорости. Это делает удобным использование этой величины для расчёта эффективности ракеты-носителя. Например, ракета должна развить характеристическую скорость около 4500 м/с чтобы выйти за пределы атмосферы Кербина на стабильную орбиту.
lozga
24.12.2015 19:572.8 км/с — это запас характеристической скорости, на сколько можно изменить скорость ступени. Скорость самой ступени 1,8 км/с на той картинке.
3dtim
25.12.2015 14:15очень большая скорость, думал на парашютах спускать логичнее было бы, но оказалось слишком быстро летит
lozga
27.12.2015 16:39Парашюты можно было бы открывать последовательно, сначала небольшой тормозной, затем основной. Но про точную посадку можно будет забыть, наверное, это одна из основных причин, по которой от них отказались.
hungry_ewok
27.12.2015 18:15Парашюты — это вес.
Во-1 вес самого парашюта.
Во-2 вес конструкции ступени. Конструкция облегчена как только можно, и рассчитана на то чтобы выдерживать нагрузки на сжатие — от работы движка и веса второй ступени. А с парашютами придется в конструкцию закладывать возможность выдерживать нагрузки на растяжение, причем еще и переменные.
Ну и в-3 парашюты один хрен не гарантируют целостность движка — ради чего все затевается.lozga
27.12.2015 18:39Про парашюты я писал еще в 2013 году, там получалось, что парашюты выгоднее.
kvasdopil
28.12.2015 14:20Не получалось. Получалось что если бы существовали какие-то парашютные системы, способные мягко посадить 20-тонную тонкостенную алюминиевую бочку (а не 13 тонный железный танк), то они наверное возможно могли бы теоретически весить около 2,5 тонн, а может и нет.
Ну и в RTLS вы в 2013 году не верили, а в т.ч. ради этой фичи всё и затевалось.lozga
28.12.2015 19:46А та статья по-прежнему актуальна — топлива-то много про запас оставили. А с RTLS (новость о котором меня удивила, я не говорил что это совсем невозможно) вообще получаются десятки тонн запаса, что больше любой другой системы посадки.
kvasdopil
29.12.2015 13:23> Больше любой другой системы посадки.
В том и дело что не больше, потому что других систем посадки не существует.
Бессмысленно сравнивать с т.з. эффективности существующую работающую систему с некоей теоретически возможной. Тем более взяв за основу характеристики военного продукта с другой сферой применения, другой стоимостью, другими ограничениями, другим всем. Ну нельзя взять систему десантирования от бмд и прикрутить её к ракете. Это, блин, не кербал :)
А учитывая требования RTLS и уровень проработки альтернативных решений, похоже что сравнивать эффективность имеет смысл пожалуй только с байкалом, но там выводимая масса значительно ниже, само собой.lozga
29.12.2015 21:21Я сравнивал на тот момент разрабатываемую с существующими (существовавшими) и предлагавшимися. Я понимаю, что есть особенности, и ту же парашютную систему нельзя взять готовую, но я до сих пор уверен в хорошем качестве оценки веса. Не идеальном, но парашюты, уверен, весили бы меньше. Хотя я могу понять, почему от них отказались — не захотели делать площадки посадки площадью в сотни (тысячи?) гектаров.
kvasdopil
29.12.2015 23:32Во-первых, отчуждение площадей слишком большое, а это всё-таки США, а не Казахстан. Там города и
деревни на каждом шагу, даже в Неваде какой-нибудь, и 20+ тонн на голову получить никто не хочет.
Во-вторых, парашюты не обеспечивают мягкой посадки. Мягкая посадка на пороховых зарядах приводит к тому, что капсулы Союзов, например, невозможно повторно использовать, даже если очень захотеть. Тонкостенная конструкция первой ступени таких перегрузок не выдержит, её придётся усиливать, снижая забрасываемую массу. Сравнение с системой, предназначенной для посадки танков (Танков, Карл!), тут неуместно совершенно.
В-третьих, как уже написали примерно все, ступень рассчитана на продольные плавные нагрузки на сжатие, приложенные к нижней части ракеты, использование парашютов опять потребует усиления конструкции.
В-четвёртых, при посадке в воду, если я правильно всё понимаю, двигатели приходят в негодность, т.е. запуски из флориды нет смысла делать многоразовыми.
В-пятых, при использовании парашютов невозможно обеспечить быструю оборачиваемость и обслуживание ступеней, как при RTLS, накладные расходы возрастают, рискуя сделать повторное использование ступени нерентабельным.
В общем, есть у меня большие сомнения в «хорошем качестве оценки веса», как и в выгоде от реиспользуемости по такой схеме. Разве-что вариант с отстрелом двигателей и подхватом вертолётом выглядит реалистичным.
atomlib
lozga
Спасибо!
paul_155
странная авария. ничего не взорвалось.
0serg
Авария в этом сценарии — отказ двигателя. Вообще в (современной) ракетной технике не так уж и часто что-то именно прямо взрывается. Даже там где визуально наблюдается что-то на него похожее чаще идет разрушение конструкции под действием аэродинамических сил и/или перегрузок.
lozga
Система управления должна была успеть выключить двигатель, когда он «вот-вот взорвется». Из-за ошибки датчика в реальном полете один двигатель на шаттле выключали, но в том случае режим уже был «Abort to orbit» и шаттл смог выйти на орбиту без проблем.