Дата: 04-11-21 08:52

КОСМОС: План SpaceX по дозаправке Starship на орбите: проблемы и решения


Twitter image

Возможно, что самая большая тайна программы Starship – это то, как SpaceX собираются дозаправлять корабль Starship, после того как ему удастся выйти на орбиту.

За последние 5 лет SpaceX несколько раз переделывала конструкцию ракеты, впервые анонсированной в сентябре 2016 года под названием Межпланетарная транспортная система (Interplanetary Transport System или ITS). Тем не менее большинство ключевых архетипов сохранились по сей день. Сегодня Starship — это всё по-прежнему двухступенчатая ракета на двигателях Raptor, которые работают на метане и жидком кислороде. Несмотря на то, что ракета была немного уменьшена в диаметре от первоначальной задумки, Starship всё ещё может стать самой высокой, мощной и тяжёлой ракетой, когда-либо запущенной в космос.

Основываясь на многолетнем опыте, накопленном после более сотни запусков Falcon 9 и создания ракеты Falcon Heavy, самой фундаментальной целью дизайна Starship является полная и быстрая возможность многократного использования, где топливо — это единственная расходуемая часть корабля. Однако главная цель Starship, как и цель SpaceX — сделать человечество мультипланетарным видом и построить самодостаточный город на Марсе. И чтобы у Starship был хотя бы шанс осуществить эту поистине грандиозную задачу, SpaceX необходимо не только построить самый простой и быстрый в использовании многоразовый ускоритель и корабль в истории космонавтики, но и научиться проводить орбитальную дозаправку.

Читайте также: Специалисты ЕКА планируют провести серию из пяти тестов связи с китайским марсоходом «Чжужун»

Уравнение многоразовости и дозаправки

В контексте целей SpaceX по доставке людей на Марс, возможность многократного повторного использования и орбитальная дозаправка являются взаимно незаменяемыми компонентами. Ни один из них без второго не позволит создать самодостаточную колонию на Марсе. Связка Starship / Super Heavy, которую можно полностью повторно использовать еженедельно или даже ежедневно, но которую нельзя быстро и легко заправлять – не сработает, так как ей не хватит производительности и экономической выгоды строительства и снабжения города на Марсе. Одновременно, если не получится легко дозаправлять Starship на орбите, то он не может быть быстро повторно использован, и создание поселения на Марсе будет во много раз сложнее, дольше и дороже, а также потребует огромного флота кораблей.

В настоящее время рекорд между двумя полётами одного ускорителя Falcon 9 составляет 27 дней. Повторное использование корабля Crew Dragon также набирает обороты, и недавно компания дважды запускала один и тот же аппарат всего за 137 дней. Эти показатели быстро приближаются к аналогичным средним показателям кораблей Space Shuttle, единственного действительно многоразового орбитального пилотируемого корабля в истории.

Starship, однако, должен эффективно работать как универсальная вторая ступень Falcon 9, состоящая из во много раз увеличенного корабля Dragon, сервисного модуля, обтекателя и собственно второй ступени, а также быть полностью многоразовым, что делает его намного более сложным, но и потенциально гораздо более многоразовым. В некоторой степени Super Heavy также должен быть структурно проще, чем ускорители Falcon 9 (без складывающихся опор и рулей, композитных соединений, специальных подруливающих устройств), а двигатели Raptor должны быть проще в эксплуатации и повторном использовании, чем Merlin. Проще говоря, существуют предпосылки, на основании которых можно предположить, что SpaceX смогут решить эту половину уравнения.

Что насчёт дозаправки?

Задача дозаправки на орбите совершенно другая. Весь план SpaceX касательно её хорошо описывает фраза Илона Маска “топливо приходит в движение за счёт малого ускорения (“Milli G”) от управляющих двигателей”. На первый взгляд, эта простая фраза мало что откроет нам. Однако с некой долей скептицизма, на основе намёков Маска и контекста истории исследований использования топлива на орбите можно предположить довольно чёткий механизм дозаправки Starship.

Основой этих исследований, по иронии судьбы, является статья 2006 года, написанная семью сотрудниками Lockheed Martin и инженером NASA и озаглавленная как “Пассивное перемещение криогенного топлива”. Помимо очевидных сходств из названия, статья фокусируется на том, как, по мнению авторов, наиболее эффективно перемещать большие объёмы ракетного топлива на орбите.

В условиях микрогравитации топливо внутри корабля легко отделяется от стенок бака. Когда же существует тяга, то топливо остаётся неподвижным, пока не ударяется о стенки резервуара – это основной принцип Ньютона, согласно которому неподвижные объекты стремятся оставаться неподвижными. Если, скажем, корабль ускоряется в одном направлении и открывает клапан на противоположном конце резервуара, топливо внутри, пытаясь оставаться в покое, естественным образом стремится выйти через отверстие. Таким образом, корабль стыкуется с танкером, клапаны баков открываются, затем танкер ускоряется в направлении, противоположном другому кораблю, и топливо перейдёт в резервуар второго корабля.

Принципы, лежащие в основе такой “пассивной перекачки топлива”, довольно просты и понятны. Ключевой вопрос заключается в том, сколько ускорения требуется для этого процесса и насколько дорого обходится это непрерывное ускорение. Согласно статье Куттера (Kutter), опубликованной в 2006 году, ответ поражает: если предположить, что пара космических аппаратов массой 100 тонн ускоряется с 0,0001 G, им потребуется всего 45 кг водорода и кислорода в час для поддержания этого ускорения. В самом теоретически экстремальном сценарии дозаправки (т.е. когда полностью заполненный танкер заправляет корабль с полным наполненным грузовым отсеком) два состыкованных корабля будут иметь массу около 1600 тонн. Ускорение “Milli G”, о котором SpaceX неоднократно упоминали в слайдах своих презентаций, и которое потребуется для перекачки топлива, будет в десять раз больше, чем максимальное ускорение, о котором пишет Куттер. Тем не менее, согласно их статье, количество топлива линейно масштабируется как с требуемым ускорением, так и с массой системы. Грубо говоря, ускоряя два корабля Starship, теоретически потребуется чуть более 7 тонн метана и кислорода в час (это 1,5% от объёма топлива на борту корабля) для перекачки.

Имея достаточно большие трубопроводы для перекачки топлива (20-50 см в диаметре), соединяющие баки каждого корабля, у SpaceX не должно возникнуть проблем с перекачкой более 1000 тонн топлива за несколько часов. Это означает, что на эту перекачку уйдёт не более 20-50 тонн топлива. Любые другие перекачки меньшие по массе потребуют ещё меньше топлива. В целом, это означает, что полная дозаправка орбитального корабля или танкера примерно 1200 тоннами топлива требует от 8 до 14 и более запусков и должна быть на удивление эффективной – более 80% запущенного с Земли топлива можно будет использовать после перекачки для нужд корабля.

Использование технологий и выводы

Интересно, что необходимое ускорение настолько мало, что Starship мог бы использовать для его достижения двигатели ориентации, а это означает, что специальные двигатели могут даже не понадобиться. Совпадение или нет, но SpaceX недавно решили заменить двигатели ориентации на Super Heavy на газовые клапаны. Если SpaceX добавит аналогичную систему и на Starship, вполне возможно, что комбинация криогенного топлива, естественно кипящего и переходящего в газ при нагревании, и такие газовые клапаны, используемые для сброса излишков давления, могут создать достаточную тягу даже для перекачки больших объёмов топлива на орбите.

Остаётся всего несколько вопросов, среди них – автономная стыковка на орбите. Корабли Dragon автономно сближались с МКС уже 27 раз за 9 лет и 10 раз стыковались с космической станцией. Вряд ли это вызовет какие-то серьёзные проблемы для дозаправки на орбите. Компании также нужно разработать конструкции самих трубопроводов, клапанов и стыковочных механизмов, которые позволят перекачивать топливо, и выбрать место для расположения этих механизмов на корабле.

Несмотря на то, что SpaceX никогда не уточняли своего подхода к дозаправке кораблей на орбите, компания уже фактически решила последнее техническое препятствие для реализации данного плана без необходимости разработки новых технологий. В любом случае все эти проблемы и задачи – это инженерная рутина для SpaceX, и, скорее всего, и в этих вопросах нас ждут нестандартные подходы и решения существующих проблем.


Источник информации: Журнал "Все о космосе"

Поделиться ссылкой:  
 Tweet



Перепечатка материалов разрешается только при наличии гиперссылки на www.aviation.com.ua
Перепечатка, копирование, воспроизведение или иное использование материалов, в которых содержится ссылка на агентства УНИАН, Iнтерфакс-Україна, строго запрещено.
Позиция администрации может не совпадать с мнениями авторов, публикующих статьи.