Почему посадить ракету так сложно?

23 Января 2015 в 15:30, Илья Хель 10 159 просмотров 49

SpaceX

После успешного запуска капсулы поддержки, ракета Falcon 9 от SpaceX попыталась приземлиться на баржу в море. Как вы знаете, посадка не удалась. Стоит ли удивляться? Можно удивиться только тому, что ракета вообще оказалась близко к месту посадки. Ведь то, что пытается сделать SpaceX, невероятно сложно.

Почему же эту ракету сложно посадить? Для этого нам нужно взглянуть на процесс посадки ракеты с точки зрения физики. Мы будем говорить об общих физических принципах, а не технических деталях посадки ракеты.

Высадка на Луну — это просто

Аполлон-16

Лунный модуль «Аполлона-16»

Человечество высаживало несколько космических аппаратов на Луну в ходе миссий «Аполлон». Есть также известная аркадная игра под названием Lunar Lander. Цель игры — изменять угол и тягу судна, чтобы успешно посадить его на Луне.

Лунный модуль

Хотя настоящая игра в высадку на Луну не такая уж и простая, она определенно легче, чем посадка SpaceX Falcon 9. В чем разница? У лунного модуля есть ракета снизу, но вращается он при помощи других двигателей сбоку. У Falcon 9 есть ракетный двигатель снизу, и он используется как для движения ракеты, так и для ее вращения. Поэтому маневрировать Falcon 9 немного сложнее (кроме того, на Луне гравитационное поле гораздо меньше), как объясняет специалист Wired.

Три маневра для ракеты

Ракета Falcon 9 может делать три вещи, используя главный двигатель:

  1. Вертикальное ускорение: полезно для замедления ракеты, чтобы она не «это самое».
  2. Горизонтальное ускорение: используется для изменения горизонтальной скорости ракеты. Это полезно для изменения горизонтального положения ракеты, чтобы она могла сесть на баржу в океане.
  3. Угловое ускорение: оно меняет вращательное движение космического аппарата относительно центра массы. Это полезно, если вы хотите убедиться, что ракета садится в вертикальном положении.

Ракета

Наверное, нужен быстрый пример. Допустим, ракета Falcon идет на посадку и у нее есть некоторая горизонтальная скорость. Для того чтобы замедлиться для безопасной посадки, ракета должна двигаться в противоположном направлении. Вот что происходит.

Чтобы ускориться вправо, ракета изменяет угол. Но поскольку эта сила тяги не действует в линии, которая проходит через центр масс, возникает крутящий момент, который изменяет вращательное движение корабля. Добавьте к этому тот факт, что вам всегда нужно изменять значение тяги, чтобы ускорять ракету вверх и вниз.

Посадить такую ракету крайне сложно. Вы можете даже попробовать сделать нечто подобное самостоятельно. Возьмите швабру или длинную палку и отправьтесь туда, где вы никого и ничего не зацепите. Потом попробуйте ходить, балансируя вертикально установленной шваброй на руке, просто установив на нее один конец объекта. Как перестать двигаться при этом?

Баланс ракеты

В этом примере действительно можно остановить швабру, и она не упадет. Но в случае с ракетой, вам нужно одновременно остановить ее и удерживать вертикально до конца.

Почему бы не использовать другую конструкцию ракеты?

Давайте рассмотрим несколько ракетных конструкций. Во-первых, у нас есть Falcon 9. Во-вторых, у нас есть плоская конструкция, которую будет весьма просто посадить — что-то вроде лунного посадочного модуля.

Модуль и ракета

«Легким модулем» будет гораздо проще управлять. Во-первых, он не высокий и не тонкий, как Falcon 9. Центр массы расположен ближе к основным двигателям, поэтому они не будут провоцировать появление крутящего момента, который нужно будет изменять вращательными движениями. Кроме того, у него есть несколько двигателей, поэтому вы можете варьировать тягу, чтобы создать нулевой крутящий момент, если захотите. Кроме того, в этой конструкции есть боковые двигатели. Вы можете изменить горизонтальное движение «легкого модуля» даже не разворачивая космический аппарат. Выглядит лучше ракеты, да?

Хотя «легкий модуль» легче посадить, он не настолько хорош, как Falcon 9. Falcon 9 не спроектирована для приземления на баржу в океане (хотя пытается и когда-нибудь сделает это). Нет, ракета спроектирована, чтобы запускать полезный груз на орбиту. Это ее основная функция, с которой «легкий модуль» не справится никак. Ракеты высокие и тонкие, поэтому встречают меньше сопротивления воздуха по мере ускорения через атмосферу. Чем меньше площадь поперечного сечения передней части ракеты, тем ниже сопротивление воздуха. Чтобы «легкий модуль» запустил полезный груз в космос, он должен иметь НАМНОГО больше топлива, чтобы компенсировать большое сопротивление воздуха. Но с большим количеством топлива понадобится большая ракета, которая потребует еще больше топлива. При запуске ракеты каждый грамм имеет значение.

В любом случае, думаю, теперь понятно, почему сделать ракету для запуска полезного груза на орбиту и благополучной посадки на баржу в земном океане в дальнейшем довольно трудно.

Почему посадить ракету так сложно?
Метки: , , .

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

49 комментариев

  1. Nohed

    Значит нужно сделать ракету-трансформер

    • Archer

      Достаточно в верхней часть этого модуля установить маневровые двигатели и задача стабилизации сильно упроститься. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  2. ohoho

    Это что, вот так баржачка металась по океану за шваброчкой? Эпично.

  3. TorSyoN

    А почему-бы просто плавно её на парашютах не спустить в море (океан) с какими-нить поплавками (чтобы не утонула), а потом выловить и отбуксировать? И топлива на посадку не нужно и рисков почти никаких.

    • Hell-Fire

      Тсс. Не пали контору. А если серьёзно то почти перед посадкой направляющий парашут мог-бы помочь, к примеру в полный штиль. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

      • giperion12

        Кстати да, в советской космонавтике было многое так сделано, чтобы все было намного проще чем у американцев, вместо выдумывания сложных технических решений. Действительно можно было бы сначала гасить скорость ракеты парашютом, а затем уже у самой поверхности включать двигатели. Заодно решается проблема стабилизации. Единственное что нужно разработать такой парашют чтобы он обладал минимальным весом вместе с особой прочностью. Ну так сейчас есть нанотехнологии и современные материалы, почему бы ими не воспользоваться.
        А советская многоразовая ступень Байкал так вообще имеет авиадвигатель и крылья и садится по самолетному, у неё даже больше общего со скайлоном.

        • deflang1

          А позиционировать место посадки ты как собираешься парашютами? Это же океан, при использовании парашюта место посадки будет непредсказуемое. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • Nik_329

      "Почти". А двигатель? Врядли сможет работать после купания. И есть риск, что удар о воду будет тоже не мягким. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

      • Archer

        Решений много ...
        1. На корпусе делаются надувные понтоны. Тогда модуль не утонет. И поднять его краном на борт судна вовсе не сложно.
        2. В нижней части делается сдвигаемый гибкий кожух (например из непромокаемой ткани), позволяющий герметизировать двигатели вместе с дюзами.
        (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

        • Hell-Fire

          Или, к примеру , пантоны по бокам и перпендикулярно им поставить 2-3 паращюта, тогда её вообще бочком можно аккуратно положить, так шансов, что ракета сильно повредится очень мало. Хотя хз сколько она весит, чтоб понтоны не пришлось ставить размером с пол ракеты))) и-у сеня подозрение, что я пересказал вашу мысль.... (отправлено из приложения Hi-News.ru)

          • deflang1

            Ракета весит тонн 25-30 на момент посадки. Какие нафиг понтоны, вы че прикалываетесь) ракета хрупкая, единственный вариант мягкой посадки - двигатели

        • Hell-Fire

          Кстати, если есть понтоны на ракете, можно вообще тупо подцепить и довезти до порта)) (отправлено из приложения Hi-News.ru)

          • Archer

            А если на море волнение, или сильный ветер? Ракета рассчитана на вертикальные нагрузки, и не факт, что нагрузки в горизонтальном положении ее не повредят.

          • deflang1

            Ага 320 км от ближайшего порта

  4. DAGsweden2014

    Надо менять уже конструкцию ракет и двигатели другие ставить! (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  5. Аноним

    Непонятно, почему не задействованы компьютерные алгоритмы стабилизации и контроля, которые отлично справляются с такими задачами много лучше человека? (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  6. storm X

    Дабы она не сделала "это самое", увы, Антарес уже сделал "то самое", тут нужен кардинально другой подход (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  7. marshl940

    Да, серьезно, почему парашюты нельзя? (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  8. alexxxandr

    В который раз что-то умное надеюсь прочитать в коментах. Но все только дают советы, один хлеще другого)) (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  9. AlexGoldMe

    Я думаю здесь дело принципа. Если у них это получится...это будет прорыв в ракетостроении. Слово может не то)) но это будет Way. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  10. danilkinoff

    Мне вот больше интересно, если ракета многоразовая, значит сопла двигателей делают либо сменными, либо у них супер материалы.
    Может где нибудь есть информация, что они планируют заменять после каждого полета, после цикла полетов. Пока не вижу экономии.
    А сажать на парашюте - это весело. Предлагаю сажать на парашюте Falcon Heavy)

    • marshl940

      Да черт, объясните же почему нельзя?)) слишком высокая скорость при большом весе?
      я не разбираюсь например. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

      • danilkinoff

        Все равно никто здесь точно не знает, поэтому можно порассуждать.
        Логика следующая: максимальный вес, сбрасываемый на парашютах 40 т. Масса второй ступени 5 т, про массу первой не нашел, но она больше. Предположим, что она вписывается в эту массу, хотя сомнительно.
        Но у ракеты большая скорость при падении. Ее надо как-то тормозить. Сейчас на Союзах приходится выбрасывать несколько тормозных парашютов. Ракете потребуется еще больше.
        На мой взгляд ее будет сложно затормозить до приемлемой скорости. Можно было бы использовать комплексное решение (сначала затормозить двигателями, а потом спускаться на парашюте), но все-таки масса велика для парашюта

        • Hell-Fire

          Ну, тут ещё вот, что... Ракета по началу летит почти вверх + ракетные двигатели могут замедлить, а с определённого момента выпустить паращюты, тогда посадка будет гораздо плавнее . Кстати не могу понять, почему такая идея не испытывается, ведь у американцев очень хорошо распространены детские кружки по ракетостроению, в которых детей ещё и учат сажать свои ракеты при помощи паращютов (отправлено из приложения Hi-News.ru)

          • danilkinoff

            Мне кажется от парашюта отказались еще потому, что Маск собирается отправить человека на Марс. На Марсе атмосфера менее плотная, поэтому парашют не сможет затормозить падение

            • Hell-Fire

              Ступень, которая должна приземлится в любом случае остаётся на земле, то что отправится на марс к этому не имеет отношения (отправлено из приложения Hi-News.ru)

              • danilkinoff

                По моему единственный способ взлететь с Марса - иметь целую ракету. Топливо теоретически можно произвести, а вот ракету не построишь. У Маска будет способ посадки ракеты

            • Эрг Ноор

              Но зачем ракету то на Марс сажать? Пусть себе на орбите вращается, а на планету - посадочный модуль, как это делали при посадке на Луну.

        • marshl940

          Спасибо за ответ.) ракетчиков тут не много, наверняка.
          Забыл указать, что парашюты раскрывать в конце маневра. Но не суть уже.
          Хотя возможно у них именно цель такая. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  11. xalex888

    Я бы порошют использовал при посадке, но только для экономии топлива чтобы потом можно было бы стартовать снова. Так можно было бы сделать 3 парашюта и запас топлива на три старта, но для этого нужны эффективные экономичные двигатели. Короче с такими двигателями топлива всегда будет не хватать. Нужны другие двигатели и другое топливо или энергия. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  12. dizel007

    Вообще алгоритмы стабилизации ракеты одинаковы на всех стадиях полёта, так что вопрос только в соответствующем управлением мощности двигателя. Этот вопрос наверно скоро отработают и посадят свою ступень. Только сможет ли она снова взлететь большой вопрос. Говорят сопла двигателей рассчитаны на один полет, на несколько минут работы.
    (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • deflang1

      Сопла двигателей мерлин 1д которые там используются - рассчитаны на 40 циклов работы . Так что эта проблема решена. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  13. deflang1

    Почитал я комментарии - поржал. Ну просто Мега советники и диванные профессионалы. Считаю, что если не разбираешься в чем-то, не надо пердеть советами) удосужились бы хотя бы почитать, что Илон Маск по этим вопросам говорит))) все аргументы против парашюта и прочей дребедени в комментариях Илон Маск в принципе подробно объяснил. И ракету не посадили только по одной причине - не хватило гидравлической жидкости для аэродинамических рулей на последних секундах посадки. 9 февраля посадят уже, учтя недоработки (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.