Вот как SpaceX (вероятно) собирается заправлять звездолеты в космосе

Вот как SpaceX (вероятно) собирается заправлять звездолеты в космосе

Возможно, самая большая загадка программы SpaceX Starship заключается в том, как именно компания планирует заправить самый большой космический корабль, когда-либо построенный, после того, как он достигнет орбиты.

Компания SpaceX, впервые представленная в сентябре 2016 года как межпланетная транспортная система (ITS), за последние полвека несколько раз радикально модернизировала свою ракету следующего поколения. Тем не менее несколько важных аспектов сохраняются. Пять лет спустя Starship (ранее ITS и BFR) по-прежнему представляет собой двухступенчатую ракету с двигателями Raptor, которые сжигают богатую топливом смесь жидкого метана (LCH4) и жидкого кислорода (LOx). Несмотря на то, что Starship был значительно урезан по сравнению с ITS, Starship будет примерно такой же высоты (120 м или 390 футов) и все еще находится на пути к тому, чтобы стать самой высокой, самой тяжелой и самой мощной ракетой, когда-либо запущенной с большим отрывом.

Основываясь на многолетнем опыте, накопленном после десятков запусков Falcon 9 и Falcon Heavy, наиболее важной фундаментальной целью дизайна Starship является полная и быстрая возможность многократного использования — топливо — единственное, что намеренно «расходуется» во время запусков. Однако, как и BFR и ITS до него, всеобъемлющая цель Starship — поддержать основополагающую цель SpaceX — сделать человечество многопланетным и построить самодостаточный город на Марсе. Чтобы у Starship был хотя бы шанс совершить этот грандиозный подвиг, SpaceX не только нужно будет построить самую простую и быструю многоразовую ракету и космический корабль в истории, но и освоить орбитальную дозаправку.

Уравнение повторного использования / дозаправки

В контексте целей SpaceX по распространению человечества на Марс, овладение возможностью многократного использования и орбитальная дозаправка являются взаимоисключающими. Без того и другого ни один из них не позволит 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 хватает производительности, необходимой для экономичного строительства, снабжения и заселения города на другой планете (или Луна). Система запуска Starship, которая может быть легко заправлена ​​топливом, но не может быстро и полностью повторно использоваться, могла бы обеспечить некоторую степень межпланетного транспорта и создание минимального человеческого форпоста на Марсе, но это, вероятно, будет на одну или две величины сложнее, рискованнее и дорогой в эксплуатации и с самого начала потребует огромного флота кораблей и ускорителей.

Вопрос о том, как SpaceX превратит Starship в самую быструю, полностью и дешевую многоразовую ракету в мире, является сложным, но не так уж и сложно экстраполировать с того места, где находится компания сегодня. В настоящее время рекорд оборачиваемости (время между двумя полетами) для ускорителей Falcon составляет два запуска менее чем за четыре недели (27 дней). Повторное использование орбитального класса SpaceX также набирает обороты, и недавно компания дважды запускала одну и ту же орбитальную капсулу Crew Dragon всего за 137 дней (менее пяти месяцев) — быстро приближающиеся изменения, аналогичные среднему показателю космического шаттла НАСА, единственного другого многоразового орбитального космического корабля в истории. .

Текущий флот SpaceX из четырех многоразовых космических кораблей Dragon. (НАСА / Майк Хопкинс / ЕКА / Томас Песке)Изображенный здесь во время своего последнего запуска, Falcon 9 B1060 обладает рекордом оборачиваемости SpaceX, составляющим всего 27 дней, и выполнил восемь запусков орбитального класса за 12 месяцев, в среднем один полет каждые ~ 45 дней — среднее время оборачиваемости лучше, чем у всех космических шаттлов. рекорд времени. (SpaceX)

В то время как Dragon и Falcon 9 намного меньше, чем Starship и Super Heavy, Dragon можно повторно использовать только частично и требует значительного ремонта после восстановления, а бустеры Falcon 9 довольно сложны. Starship, с другой стороны, должен эффективно служить полностью многоразовым универсальным верхним этапом Falcon, капсулой Dragon, стволом Dragon и обтекателем, что делает его гораздо более сложным, но потенциально гораздо более многоразовым. В некоторой степени Super Heavy также должен быть механически проще, чем ускорители Falcon (без разворачиваемых опор или плавников; без структурных соединений из композитного металла; без специальных подруливающих устройств), а его двигатели Raptor с чистым сгоранием должны быть проще в повторном использовании, чем Merlins от Falcon. Проще говоря, существуют прецеденты и доказательства, предоставленные ракетами Falcon и космическим шаттлом НАСА, которые предполагают, что SpaceX сможет решить половину уравнения повторного использования.

А как насчет заправки?

Однако другая половина этого уравнения совершенно иная. Итог официальных обсуждений SpaceX орбитальной дозаправки можно подытожить в предложении, дословно включенном в презентации генерального директора Starship Илона Маска в 2017, 2018 и 2019 годах: «Топливо рассчитано за счет ускорения в миллиграммах с использованием управляющих двигателей».

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

На первый взгляд, эта простая фраза мало что говорит. Тем не менее, с несколькими скепсисами, намеками на то, что генеральный директор компании сказал и чего не сказал, а также на контексте истории исследований орбитальной передачи топлива, можно нарисовать довольно подробную картину точных механизмов, которые SpaceX, вероятно, будет использовать. для пополнения звездолетов в космосе. Краеугольным камнем, по иронии судьбы, является статья 2006 года, написанная семью сотрудниками Lockheed Martin и инженером НАСА и озаглавленная «Перекачка криогенного топлива с установленными условиями». Помимо очевидных выводов только из названия, статья фокусируется на том, что, по мнению авторов, является простейшим возможным путем к крупномасштабной орбитальной переброске ракетного топлива.

На орбите в условиях микрогравитации топливо внутри баков космического корабля эффективно отделяется от конструкции. Если космический корабль применяет тягу, то топливо будет оставаться неподвижным, пока не разбрызгивается о стенки его резервуара — самый основной принцип Ньютона, согласно которому неподвижные объекты стремятся оставаться неподвижными. Если, скажем, космический корабль толкается в одном направлении и открывает люк или клапан на резервуаре в направлении, противоположном этой толчке, топливо внутри него — пытаясь оставаться в покое — естественным образом вылетает через это отверстие. Таким образом, если космический корабль нуждается в топливных доках с заправщиком, их баки соединены и открыты, а заправщик пытается разогнаться от принимающего корабля, топливо из баков танкера будет эффективно выталкиваться во второй корабль, когда он пытается оставаться в покое.

Принципы, лежащие в основе такой «устойчивой передачи пороха», довольно просты и интуитивно понятны. Ключевой вопрос заключается в том, сколько ускорения требуется для этого процесса и насколько дорого обходится это непрерывное ускорение. Согласно статье Куттера и др., Опубликованной в 2006 году, ответ удивителен: если предположить, что пара космических аппаратов массой 100 метрических тонн (~ 220 000 фунтов) ускоряется со скоростью 0,0001 G (одна десятитысячная гравитации Земли) для переноса топлива, им потребуется всего 45 кг. (100 фунтов) водорода и кислорода в час для поддержания этого ускорения.

Две возможные ориентации звездолета для переноса топлива. (SpaceX)

В самом экстремальном гипотетическом сценарии дозаправки (т. Е. Полностью заполненный танкер заправляет корабль с полным грузовым отсеком), два пристыкованных звездолета будут весить около 1600 тонн (~ 3,5 млн фунтов) и ускорение «Milli G», о котором SpaceX неоднократно упоминала в слайды презентации будут в десять раз больше, чем максимальное ускорение, проанализированное Kutter et al. Тем не менее, согласно их статье, стоимость топлива линейно масштабируется как с требуемым ускорением, так и с массой системы. Грубо говоря, используя те же предположения, это означает, что движущийся звездолет теоретически потреблял бы чуть более 7 тонн (полпроцента) метана и кислорода в час для поддержания ускорения в миллиграммах.

Имея достаточно большие трубы (порядка 20-50 см или 8-20 дюймов), соединяющие баки каждого звездолета, у SpaceX не должно возникнуть проблем с перекачкой более 1000 тонн топлива за несколько часов. В конечном итоге это означает, что установленный перенос топлива даже в масштабе Starship должен облагаться «налогом» на производительность в размере не более 20-50 тонн топлива за дозаправку. Все перевозки, ведущие к наихудшему сценарию 1600 тонн, также должны быть значительно более эффективными. В целом, это означает, что полная дозаправка орбитального звездолета или депо примерно 1200 тоннами топлива — требующая от 8 до 14+ запусков танкеров — должна быть на удивление эффективной, при этом, возможно, 80% или более запущенного топлива останется пригодным для использования к концу процесс.

На Super Heavy B4 SpaceX установила, какое количество форсунок над вентиляционными отверстиями главного кислородного баллона ускорителя позволяет направлять и максимизировать создаваемую ими тягу. (NASASpaceflight — bocachicagal)

На шаг впереди Куттер и др. Отмечают, что необходимое ускорение настолько мало, что гипотетический космический корабль потенциально мог бы использовать для его достижения вентиляционные отверстия для незаполненного газа, а это означает, что специально разработанные отстойные двигатели могут даже не понадобиться. По совпадению или нет, SpaceX (или генеральный директор Илон Маск) недавно решил использовать стратегически расположенные вентиляционные отверстия незаполненного объема, чтобы заменить специально построенные маневренные двигатели на супертяжелом ускорителе Starship. Если SpaceX добавит аналогичные возможности к Starship, вполне возможно, что комбинация криогенного топлива, естественно кипящего в газ при нагревании, и вентиляционные отверстия, используемые для сброса этого добавленного давления, могут создать достаточную тягу для передачи больших объемов топлива.

И наконец, что не менее важно, написав более полутора десятилетий назад, единственный технологический барьер, который Куттер и др. Могли предвидеть для крупномасштабной переброски твердого топлива, даже не был связан с дозаправкой, а, скорее, со способностью автономно сближаться и стыковаться. на орбите. В 2006 году, когда Россия уже регулярно использовала автономную стыковку и технологию сближения на своих космических кораблях «Союз» и «Прогресс», США никогда не демонстрировали эту технологию самостоятельно. Космический аппарат SpaceX Dragon автономно встречался с Международной космической станцией двадцать семь раз за девять лет и завершил десять автономных стыковок — и все это без проблем — с 2019 года.

SpaceX уже разработала и тщательно протестировала маневренные двигатели на горячем газе Raptor, которые можно было бы довольно легко добавить в Starship для повышения эффективности переноса осевшего топлива за счет увеличения веса и сложности. (NASASpaceflight — bocachicagal)

Несмотря на то, что SpaceX и ее руководители никогда не детализировали свой подход к дозаправке (или дозаправке, в соответствии с предпочтительным термином Маска) звездолетов в космосе, существует четкий путь, установленный десятилетиями исследований НАСА и отрасли. То немногое, что доступно, говорит о том, что это тот же путь, который выбрала SpaceX. В конечном счете, ключевой вывод из этого исследования и очевидного использования его в SpaceX должен заключаться в следующем: несмотря на то, что это относительно неэффективный процесс, SpaceX эффективно уже решила последнее оставшееся техническое препятствие для стабильной передачи топлива и должна иметь возможность легко дозаправлять звездолеты на орбите с небольшими затратами. до не требуется серьезного развития.

Велика вероятность того, что будут обнаружены незначительные или умеренные проблемы, которые необходимо будет решить, когда SpaceX начнет тестировать дозаправку на орбите, но, что очень важно, нет очевидных препятствий, стоящих между SpaceX и началом этих летных испытаний. Помимо очевидного (подготовка новой ракеты к ее первым летным испытаниям), единственная серьезная проблема с дозаправкой, которую, возможно, необходимо решить SpaceX, — это шлангокабели и стыковочные механизмы, которые позволят перекачивать топливо. SpaceX также необходимо будет выбрать место для этих портов / механизмов и решить, следует ли внедрять двигатели для вентиляции незаполненного объема, двигатели на холодном газе, такие как на Falcon и текущих прототипах Starship, или более эффективные двигатели на горячем газе, созданные на основе Raptors. В конце концов, однако, это все решенные проблемы и просто вопрос сложной, но рутинной системной инженерии, в которой SpaceX является экспертом.

Вот как SpaceX (вероятно) собирается заправлять звездолеты в космосе