В 2013 году, когда Маск еще только собирался повторно использовать первую ступень, я сделал пост с расчетом и оценками затрат массы на разные способы посадки. Сейчас, когда повторно используемые ступени уже никого не удивляют, интересно глянуть на то, какие варианты летают и разрабатываются.
Посадка боковых блоков Falcon Heavy, фото SpaceX
В исходном посте рассчитывался минимально возможный запас топлива исходя из одного финального торможения со скорости, ограниченной сопротивлением воздуха. В реальности ступень Falcon 9 тормозит до трех раз — первое включение выводит ее на траекторию посадки, второй раз двигатели включаются, чтобы снизить тепловую нагрузку и только третье включение производится непосредственно для посадки. Точные данные непосредственно от SpaceX нам недоступны, но есть моделирование миссий от flightclub.io. Попробуем сравнить.
Расчеты 2013 года давали минимум 2 тонны топлива для торможения со скорости свободного падения 260 м/с. В первой успешной посадке 8 апреля 2016 в миссии SES-8 симуляция flightclub дает скорость для момента включения двигателя 288 м/с (скорее случайно угадали, но порядок цифр и не должен был отличаться), но вот топлива тратится больше, 6 тонн — и ракета за три года потяжелела, и в симуляции считается, что в итоге в ступени останется почти 5 тонн топлива.
Но это в общем не имеет особого значения, потому что перед первым включением в ступени запас примерно в 50 тонн, что в два с лишним раза превышает сухую массу ступени.
Для миссии с возвратом ступени на площадку около старта запас, естественно, получается большим, но не в разы — торможение для прицеливания в баржу расходует гораздо больше топлива, чем может показаться. В первой миссии с возвратом на старт, Orbcomm OG2-2 (декабрь 2015), запас топлива по симуляции flightclub оценивается в 61 тонну.
Для тяжелых полезных нагрузок ступень может производить только два включения, а баржа ставится дальше по траектории полета. Например, в недавней миссии Starlink 3 запас топлива должен был составить примерно 24 тонны, что сравнимо с массой сухой ступени (предположительно, 26,3 тонны).
Как любое инженерное решение, парашюты имеют достоинства и недостатки. С одной стороны, они прекрасно подходят для замедления падения и могут уменьшить скорость до нескольких метров в секунду. Но для совсем мягкой посадки требуемая площадь начинает нерационально расти — требуются какие-то дополнительные решения. И с точностью посадки даже на управляемых куполах есть проблемы. SpaceX ловит головные обтекатели кораблем, при этом мягкость посадки обеспечивается огромной сеткой, но пока что обтекатели нередко промахиваются мимо цели. На парашютах садились боковые ускорители Space Shuttle — их конструкция была крепче, чем у ступеней с жидкостными двигателями, и посадка на воду смягчала удар. Боковые ускорители ракеты-носителя «Энергия» должны были садиться на парашютах, а удар о поверхность предполагалось смягчать двигателями мягкой посадки и опорами с амортизаторами, но на практике эту концепцию проверить не успели. Сейчас на парашютах садится суборбитальная ракета SARGE компании Exos Aerospace, которая за счет небольшой массы и прочности конструкции может пережить удар о землю.
Оценить жесткость посадки можно по видео с борта ракеты, большие ступени такое точно не выдержат.
Крылатые ступени в металле пока не появились. Проект Adeline для европейской Ariane 6 закрыли, хотя и успели провести испытания масштабной модели. На базе российского «Байкала» идут работы по проекту «Крыло-СВ», в 2017-2018 годах были проведены работы в рамках аванпроекта, технологические демонстраторы ожидаются не раньше 2021 года.
Полноразмерное «Крыло-СВ» и уменьшенный демонстратор
По сути, воздушный подхват позволяет реализовать достоинства парашютов без их недостатков. Вертолет цепляет снижающуюся на парашюте ступень и позволяет мягко приземлить ее в нужное место. Теоретически этот вариант должен требовать минимум дополнительной массы на ракете — не нужны даже посадочные опоры. И очень радостно, что эту идею не забыли и будут пробовать реализовать.
Компания Rocket Lab, первоначально не планировавшая повторно использовать первую ступень, передумала осенью 2019 года. В конце 2019 и начале 2020 в реальных пусках проверена работа нового оборудования, обеспечивающего управляемый спуск ступени. А на прошлой неделе прошли успешные испытания подхвата макета вертолетом. Попытка поймать настоящую ступень может быть произведена уже в конце 2020.
United Launch Alliance разрабатывает концепцию подхвата хвостового отсека разрабатываемой ракеты-носителя Vulcan. Ее первый полет состоится не раньше 2021, и неизвестно, сразу ли она станет многоразовой, или же это будет внедрено позже.
Данная в 2013 году оценка того, что посадка на двигателях окажется одной из наиболее утяжеляющих ракету, подтвердилась. Но это не мешает успешной работе метода — на сегодняшний день просто нет нескольких соревнующихся в одной весовой категории и стремящихся вывести максимальную полезную нагрузку ракет, где бы более эффективный с точки зрения массы способ посадки первой ступени мог бы дать заметное преимущество. Чем больше разных многоразовых систем будет реализовано, тем на большее количество вопросов можно будет ответить по полученному опыту. Может быть, ко второй половине века и найдутся оптимальные решения, которые станут стандартом.
Посадка боковых блоков Falcon Heavy, фото SpaceX
Двигатели
В исходном посте рассчитывался минимально возможный запас топлива исходя из одного финального торможения со скорости, ограниченной сопротивлением воздуха. В реальности ступень Falcon 9 тормозит до трех раз — первое включение выводит ее на траекторию посадки, второй раз двигатели включаются, чтобы снизить тепловую нагрузку и только третье включение производится непосредственно для посадки. Точные данные непосредственно от SpaceX нам недоступны, но есть моделирование миссий от flightclub.io. Попробуем сравнить.
Расчеты 2013 года давали минимум 2 тонны топлива для торможения со скорости свободного падения 260 м/с. В первой успешной посадке 8 апреля 2016 в миссии SES-8 симуляция flightclub дает скорость для момента включения двигателя 288 м/с (скорее случайно угадали, но порядок цифр и не должен был отличаться), но вот топлива тратится больше, 6 тонн — и ракета за три года потяжелела, и в симуляции считается, что в итоге в ступени останется почти 5 тонн топлива.
Но это в общем не имеет особого значения, потому что перед первым включением в ступени запас примерно в 50 тонн, что в два с лишним раза превышает сухую массу ступени.
Для миссии с возвратом ступени на площадку около старта запас, естественно, получается большим, но не в разы — торможение для прицеливания в баржу расходует гораздо больше топлива, чем может показаться. В первой миссии с возвратом на старт, Orbcomm OG2-2 (декабрь 2015), запас топлива по симуляции flightclub оценивается в 61 тонну.
Для тяжелых полезных нагрузок ступень может производить только два включения, а баржа ставится дальше по траектории полета. Например, в недавней миссии Starlink 3 запас топлива должен был составить примерно 24 тонны, что сравнимо с массой сухой ступени (предположительно, 26,3 тонны).
Парашюты
Как любое инженерное решение, парашюты имеют достоинства и недостатки. С одной стороны, они прекрасно подходят для замедления падения и могут уменьшить скорость до нескольких метров в секунду. Но для совсем мягкой посадки требуемая площадь начинает нерационально расти — требуются какие-то дополнительные решения. И с точностью посадки даже на управляемых куполах есть проблемы. SpaceX ловит головные обтекатели кораблем, при этом мягкость посадки обеспечивается огромной сеткой, но пока что обтекатели нередко промахиваются мимо цели. На парашютах садились боковые ускорители Space Shuttle — их конструкция была крепче, чем у ступеней с жидкостными двигателями, и посадка на воду смягчала удар. Боковые ускорители ракеты-носителя «Энергия» должны были садиться на парашютах, а удар о поверхность предполагалось смягчать двигателями мягкой посадки и опорами с амортизаторами, но на практике эту концепцию проверить не успели. Сейчас на парашютах садится суборбитальная ракета SARGE компании Exos Aerospace, которая за счет небольшой массы и прочности конструкции может пережить удар о землю.
Оценить жесткость посадки можно по видео с борта ракеты, большие ступени такое точно не выдержат.
Крылья
Крылатые ступени в металле пока не появились. Проект Adeline для европейской Ariane 6 закрыли, хотя и успели провести испытания масштабной модели. На базе российского «Байкала» идут работы по проекту «Крыло-СВ», в 2017-2018 годах были проведены работы в рамках аванпроекта, технологические демонстраторы ожидаются не раньше 2021 года.
Полноразмерное «Крыло-СВ» и уменьшенный демонстратор
Воздушный подхват
По сути, воздушный подхват позволяет реализовать достоинства парашютов без их недостатков. Вертолет цепляет снижающуюся на парашюте ступень и позволяет мягко приземлить ее в нужное место. Теоретически этот вариант должен требовать минимум дополнительной массы на ракете — не нужны даже посадочные опоры. И очень радостно, что эту идею не забыли и будут пробовать реализовать.
Компания Rocket Lab, первоначально не планировавшая повторно использовать первую ступень, передумала осенью 2019 года. В конце 2019 и начале 2020 в реальных пусках проверена работа нового оборудования, обеспечивающего управляемый спуск ступени. А на прошлой неделе прошли успешные испытания подхвата макета вертолетом. Попытка поймать настоящую ступень может быть произведена уже в конце 2020.
United Launch Alliance разрабатывает концепцию подхвата хвостового отсека разрабатываемой ракеты-носителя Vulcan. Ее первый полет состоится не раньше 2021, и неизвестно, сразу ли она станет многоразовой, или же это будет внедрено позже.
Заключение
Данная в 2013 году оценка того, что посадка на двигателях окажется одной из наиболее утяжеляющих ракету, подтвердилась. Но это не мешает успешной работе метода — на сегодняшний день просто нет нескольких соревнующихся в одной весовой категории и стремящихся вывести максимальную полезную нагрузку ракет, где бы более эффективный с точки зрения массы способ посадки первой ступени мог бы дать заметное преимущество. Чем больше разных многоразовых систем будет реализовано, тем на большее количество вопросов можно будет ответить по полученному опыту. Может быть, ко второй половине века и найдутся оптимальные решения, которые станут стандартом.
