ПопулярноеРедакцияСвежееЛучшее
Итоги года

Путь SpaceX к дозаправке Starship в космосе яснее, чем кажется

1

Возможно, самая большая загадка программы SpaceX Starship заключается в том, как именно компания планирует заправлять самый большой из когда-либо построенных космических кораблей после его выхода на орбиту.

Starship (ракета следующего поколения от SpaceX), впервые представленная в сентябре 2016 года как Межпланетная транспортная система (ITS), за последние пять лет несколько раз радикально модернизировалась. Тем не менее, некоторые важные аспекты сохранились. Пять лет спустя Starship по-прежнему представляет собой двухступенчатую ракету с двигателями Raptor, которые сжигают смесь жидкого метана (CH4) и жидкого кислорода (O2). Несмотря на то, что в сравнении с ITS носитель был значительно урезан, он будет примерно такой же высоты (120 метров) и все ещё находится на пути к тому, чтобы стать (с большим отрывом) самой высокой, самой тяжёлой и самой мощной из когда-либо запущенных ракет.

Основываясь на многолетнем опыте, накопленном после десятков запусков Falcon 9 и Falcon Heavy, наиболее важной фундаментальной целью конструкции Starship является возможность полного и быстрого многократного использования. То есть единственным, что будет намеренно расходоваться в ходе запусков этого носителя, должно быть только топливо. Однако, как и у предыдущих итераций проекта, глобальная цель Starship состоит в том, чтобы поддержать основную цель SpaceX – сделать человечество мультипланетарным видом и построить самодостаточный город на Марсе. Чтобы у Starship был хотя бы один шанс совершить этот грандиозный подвиг, SpaceX нужно будет не только построить самую простую и часто используемую многоразовую ракету и космический корабль в истории, но и освоить орбитальную дозаправку.

Видео: VideoFromSpace

Уравнение повторного использования / дозаправки

В контексте целей SpaceX по экспансии человечества на Марс, овладение возможностью многократного использования и орбитальная дозаправка являются одинаково необходимыми. Без наличия этих двух условий невозможно создать устойчивый город на Марсе. Система запуска Starship, которую можно полностью повторно использовать еженедельно или даже ежедневно, но которую нельзя быстро и легко заправлять в космосе, просто не будет обладать производительностью, необходимой для экономичного строительства, снабжения и заселения города на другой планете (или Луне). Система запуска Starship, которая может быть легко дозаправлена, но не будет полностью многоразовой и быстро обслуживаемой, может лишь в некоторой степени стать межпланетным транспортом и позволит создать небольшое поселение людей на Марсе. Но этот вариант, вероятно, будет намного сложнее, рискованнее и дороже в эксплуатации и с самого начала потребует огромного флота кораблей и ускорителей.

Вопрос о том, как SpaceX превратит Starship в самую быстрообслуживаемую, дешёвую полностью многоразовую ракету в мире является сложным. Но развитие Starship не так уж и сложно экстраполировать, исходя из того, где компания находится сегодня. В настоящее время рекорд переиспользования (время между двумя полётами) для ускорителей Falcon составляет два запуска менее чем за четыре недели (27 дней). Повторное использование орбитального корабля SpaceX также набирает обороты, и недавно компания дважды направляла в космос одну и ту же орбитальную капсулу Crew Dragon всего за 137 дней (менее пяти месяцев), что приближается к среднему показателю другого многоразового орбитального космического корабля – Space Shuttle.

Текущий флот SpaceX состоит из четырёх многоразовых космических кораблей Dragon 2. 
Изображение: NASA / Майк Хопкинс / ЕКА / Тома Песке
Изображённый здесь во время своего последнего запуска Falcon 9 B1060 обладает рекордом переиспользования SpaceX, составляющим всего 27 дней. Ускоритель выполнил восемь орбитальных запусков за 12 месяцев, в среднем совершая один полёт каждые 45 дней. Среднее время переиспользования лучше, чем у любого из кораблей Space Shuttle. 
Фото: SpaceX

Хотя Dragon 2 и Falcon 9 намного меньше, чем Starship и Super Heavy, первый можно повторно использовать только частично, поскольку он требует весомых ремонтных работ после возвращения на Землю, а ступени Falcon 9 довольно сложны сами по себе. С другой стороны, Starship, по сути, должен выступать в роли полностью многоразовой первой ступени Falcon 9, космического корабля Dragon 2 и обтекателя, что делает его гораздо более сложным, но потенциально гораздо более многоразовым.

В некоторой степени Super Heavy должна быть механически проще, чем ступени Falcon (без разворачиваемых опор или плавников; без структурных соединений из композитного металла; без специальных маневровых двигателей), а её кислород-метановые двигатели Raptor должны быть проще в повторном использовании, чем используемые на ракетах семейства Falcon агрегаты Merlin. Проще говоря, существуют прецеденты, созданные ракетами семейства Falcon и комическим кораблями Space Shuttle, которые свидетельствуют о том, что SpaceX сможет решить половину уравнения, связанного с возможностью повторного использования.

А как насчёт заправки?

Однако другая половина этого уравнения совершенно иная. Итог официальных обсуждений орбитальной дозаправки в SpaceX можно подытожить в предложении, дословно включённом в презентации генерального директора Starship Илона Маска в 2017, 2018 и 2019 годах: «Топливо переливается за счёт небольшого ускорения с использованием двигателей системы ориентации».

Эта фраза впервые появилась в 2017 году (PDF; страница 16)
Изображение: SpaceX

На первый взгляд, эта простая фраза мало что говорит. Тем не менее, с некоторым скепсисом, намёками на то, что генеральный директор компании сказал (и чего не сказал), и в контексте истории исследований процессов переливания топлива на орбите, можно нарисовать довольно подробную картину точных механизмов, которые SpaceX, вероятно, будет использовать для дозаправки Starship в космосе. Краеугольным камнем, по иронии судьбы, является статья 2006 года, написанная семью сотрудниками Lockheed Martin и инженером NASA, озаглавленная «Контролируемое переливание криогенного топлива». Помимо очевидных следствий только из названия, статья фокусируется на том, что, по мнению авторов, является простейшим возможным путём к орбитальной заправке большими объёмами топлива.

В условиях микрогравитации на орбите топливо внутри баков космического корабля очень хорошо отделяется от конструкции. Если космический корабль применяет тягу, это топливо будет оставаться неподвижным, пока не ударится о стенки резервуара – первый закон Ньютона (в его исторической формулировке), согласно которому неподвижные объекты стремятся оставаться в покое. Если, скажем, космический корабль толкается в одном направлении и открывает люк или клапан топливного бака в направлении противоположном, топливо внутри него (пытаясь оставаться в покое) естественным образом вылетает через это отверстие. Таким образом, если космический корабль нуждается в дозаправке, баки корабля и танкера должны быть соединены и открыты, а танкер должен разогнаться от принимающего корабля. Таким образом, топливо из баков танкера будет эффективно выталкиваться в корабль, «пытающийся» оставаться в покое.

Принципы, лежащие в основе такого метода заправки, довольно просты и интуитивно понятны. Ключевой вопрос заключается в том, какое ускорение требуется для этого процесса и насколько дорого оно обходится. Согласно статье Куттера и других, опубликованной в 2006 году, ответ удивителен: если предположить, что пара космических аппаратов массой 100 метрических тонн ускоряется со значением 0,0001 G (одна десятитысячная гравитации Земли), то для переноса топлива, им потребуется всего 45 килограмм водорода и кислорода в час для поддержания этого ускорения.

Две возможные ориентации Starship для переливания топлива. 
Изображения: SpaceX
Видео: SpaceX

В самом экстремальном гипотетическом сценарии дозаправки (то есть полностью заполненный танкер заправляет корабль с полным грузовым отсеком), два состыкованных корабля Starship будут весить около 1600 тонн, а ускорение в «миллиG», о котором SpaceX неоднократно упоминала в слайдах презентации, будет в десять раз больше, чем максимальное ускорение, проанализированное Куттером с коллегами. Тем не менее, согласно их статье, затраты топлива линейно коррелируют как с требуемым ускорением, так и с массой всей системы. Грубо говоря, это означает, что движущийся Starship теоретически будет потреблять чуть более 7 тонн (полпроцента) метана и кислорода в час для поддержания требуемого SpaceX ускорения.

При наличии достаточно больших труб (порядка 20-50 сантиметров), соединяющих баки каждого корабля, у SpaceX не должно возникнуть проблем с переливанием более 1000 тонн топлива за несколько часов. В конечном итоге это означает, что заправка даже в масштабе Starship должна облагаться «налогом» на производительность в размере не более 20-50 тонн топлива за дозаправку. Все заправки, проходящие по наихудшему сценарию (1600 тонн), также должны быть значительно более эффективными. В целом, это означает, что полная дозаправка находящегося на орбите Starship примерно 1200 тоннами топлива (требующая от 8 до более 14 запусков танкеров) должна быть на удивление эффективной. При этом, возможно, 80 или более процентов запущенного топлива останется пригодным для использования по завершению процесса.

На Super Heavy B4 над вентиляционными отверстиями главного кислородного бака ускорителя SpaceX установила необходимое количество сопел для направления и максимизации создаваемой ими тяги.
Изображения: NASASpaceflight – bocachicagal

Далее Куттер и коллеги отмечают, что величина необходимого ускорения настолько мала, что гипотетический космический корабль потенциально мог бы использовать для этого вентиляционные отверстия для стравливания газа из незаполненного объёма бака. А это значит, что специально разработанные двигатели для переливания могут даже не понадобиться. Случайно или нет, SpaceX (или генеральный директор Илон Маск) недавно решили использовать вентиляционные отверстия для стравливания газа с целью замены двигателей системы ориентации на первой ступени Starship – Super Heavy. Если SpaceX применит это и к самому кораблю, то, вполне возможно, что комбинация криогенного топлива, естественно испаряющегося в газ при нагревании, и вентиляционных отверстий, используемых для сброса избыточного давления, сможет создать достаточную тягу для переливания больших объёмов топлива.

И последний штрих, но не менее важный: описанное более полутора десятилетий назад единственное технологическое препятствие, которое Куттер и коллеги предвидели для заправки большими объёмами топлива, было связано даже не с дозаправкой как таковой, а, скорее, с возможностью автономного сближения и стыковки на орбите.

В 2006 году, когда Россия уже успешно использовала технологию автоматической стыковки и сближения на своих космических кораблях «Союз» и «Прогресс», США находились в догоняющих. Но за последние девять лет космические корабли серии Dragon проводили автоматическое сближение с МКС 27 раз, а за последние два года им удалось совершить девять успешных автономных стыковок со станцией.

SpaceX уже разработала и тщательно протестировала маневровые двигатели на горячем газе от Raptor, которые можно довольно легко добавить к Starship, чтобы повысить эффективность контролируемого переливания топлива. Правда, ценой дополнительного веса и сложности. 
Фото: NASASpaceflight — bocachicagal

Несмотря на то, что SpaceX и её руководители никогда не детализировали свой подход к дозаправке Starship в космосе, существует чёткий путь, установленный десятилетиями исследований NASA и отрасли. То немногое, что доступно, говорит о том, что это тот же путь, который выбрала SpaceX. В конечном счёте, ключевой вывод из этого исследования и очевидного использования его в SpaceX должен заключаться в следующем: несмотря на то, что этот процесс является относительно неэффективным, SpaceX эффективно решила последнее оставшееся техническое препятствие для переливания топлива и будет иметь возможность легко дозаправлять Starship на орбите практически без серьёзной разработки технологии.

Велика вероятность того, что будут обнаружены незначительные или умеренные проблемы, которые необходимо будет решить, когда SpaceX начнёт тестировать дозаправку на орбите. Но, что очень важно, нет очевидных препятствий, стоящих перед SpaceX в начале этих лётных испытаний. Помимо очевидного (подготовка новой ракеты к её первым лётным испытаниям), единственная серьёзная проблема с дозаправкой, которую, возможно, необходимо будет решить SpaceX – это соединения трубопроводов и стыковочный механизм, которые позволят переливать топливо. Компании также необходимо будет выбрать место для этих портов / механизма стыковки и решить, следует ли внедрять двигатели для стравливания газа (двигатели на холодном газе, вроде тех, что у ракет серии Falcon и текущих прототипах Starship) или более эффективные двигатели на горячем газе, созданные на основе Raptor. В конце концов, всё это решаемые проблемы и вопросы сложной, но рутинной системной инженерии, в которой SpaceX является экспертом.

Это перевод статьи SpaceX’s path to refueling Starships in space is clearer than it seems

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

64

Это пользовательский материал, написанный участником сообщества, который не входит в состав редакции или администрации. Поддерживая авторов оценками, вы помогаете нашему сообществу развиваться.

Войдите, чтобы видеть ещё 95 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Весёлая Эллен Рипли
Вечность назад

В первинному вигляді, і "доскладську" епоху бачу прискорювальну технологію заправки найкращим рішенням. Однак можна скористатися в'язкістю і поверхневим натяжінням, що притаманні реальним рідинам

  1. 1. під час причалювання КК до танкера, умовно нерухомий танкер отримає імпульс від гальмування КК. Компоненти палива "опиняться внизу" баків танкера, біля КК
  2. 2. звісно, сила такого гальмівного удару має бути ретельно прорахована. Проте, вважаю, що його одного має вистачити для однократної просадки рідин на денця баків
  3. 3. Аби потім рідина не відскочила зворотньою хвилею, і танкер і КК мають бути закручені навколо головної осі зчіпки ще до стикування
  4. 4.4. На внутрішній поверхні баків має бути створений гвинтовий рельєф — в найпростішому випадку ребра жорсткості, що йдуть не паралельно осі, а за гвинтовою траєкторією
  5. 5. Таким чином, одночасно з первинною осадкою рідин на денце, гвинтові стрінгери закручуватимуть рідину і надаватимуть їй рух в потрібному напрямку. Тобто, створюватимуть напір, що дозволить вільне перетікання рідин в баки КК
  6. 6. Темпи такого перетікання можна регулювати швидкістю обертання зчіпки, а саму закрутку всього комплексу здійснювати або реактивними міні-двигунчиками, або ж і просто гіродинами. В останньому випадку рідини не витрачаються на "технологічні" потреби, але знадобляться СБ для живлення гіродинів

Невероятный Джефф Бизнес
Вечность назад

Возьмем насос для скважин из инета: производительность 15 куб.м в час мощность 2 кВт высота подъема 87м. 1500 тонн перекачает за 100 часов затратив 200 кВт. Без учета, что ему не нужно поднимать на высоту преодолевая гравитацию. Пусть на киловатт пойдет 1литр топлива, то затраты 200 литров а не 40 тонн. Осталось придумать как всасывать топливо в насос)))) Если их соединить рядом, и раскрутить (подкрутка не требуется), то центробежная сила отбросит топливо к противоположной стенке, где его примет насос.

Спокойный Вернер фон Браун
Вечность назад

Может невнимательно читал, но не нашёл информацию как будет меняться орбита за несколько часов заправки. Которую потом ещё и корректировать наверное нужно будет для приема следующего танкера...

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.