Почему Илону Маску трудно мягко посадить ракету на Землю

0 0

Разгонные блоки ракеты SpaceX — это летающие роботы, оснащенные интеллектуальными системами автоматического управления для осуществления мягкой посадки в точно определенное место. Реализовать такую сложную задачу непросто, даже используя последние достижения науки техники.

Исторически сложилось так, что разгонные блоки большинства ракет, с помощью которых запускаются космические корабли и спутники, просто падают обратно под действием земного притяжения и, естественно, разбиваются. Сохранение их в целостности и повторное использование позволит уменьшить стоимость очередного запуска на 30 %. Но для этого разгонные блоки ракет необходимо плавно опустить на Землю. А это задача достаточно сложная.

Почему Илону Маску трудно мягко посадить ракету на Землю

Создание новых сложных посадочных устройств нередко приводит к авариям, но постепенно их количество снижается

Задача – снизить до минимума вертикальную скорость

Основное требование для посадки — снизить скорость перед приземлением. Существует три основных способа осуществить мягкую посадку: использовать парашют, аэродинамические плоскости либо подруливающие устройства.

Будь то миссия «Союза» или «Аполлона», посадка с парашютом использовалась для приземления или приводнения в море спускаемых аппаратов. В этом случае для замедления первоначально используется аэродинамическое торможение спускаемого аппарата о плотные слои атмосферы, а затем сопротивление, создаваемое парашютами. Даже на твердотельных ускорителях космических шаттлов была применена парашютная система.

Обычно сначала используется набор маленьких парашютов, которые вытягивают и развертывают основной.

Так, например, спускаемый аппарат «Союза» на высоте 9-11 километров имеет предельную скорость снижения около 240 метров в секунду, которую гасит до 90 метров в секунду небольшой тормозной парашют площадью 14 квадратных метров. Ближе к земле раскрывается основной парашют, и скорость аппарата снижается до 9 метров в секунду, а непосредственно перед посадкой дополнительно включаются специальные тормозные двигатели, обеспечивающие спускаемому аппарату мягкую посадку.

Почему Илону Маску трудно мягко посадить ракету на Землю

Разгонные блоки современных ракет разрабатываются с возможностью мягкого приземления после запуска, что обеспечивает их повторное использование. Два 15-этажных боковых ускорителя отделяются от ракеты Falcon Heavy и начинают спуск обратно к мысу Канаверал. Чтобы заставить данную систему мягкой посадки работать, потребовались время, поиск новых методов управления, много проб и исправление ошибок

Аэродинамическое планированиеиспользуется при посадке космических кораблей многоразового использования типа «Буран» и «Шаттл». Здесь посадка и управление похожи на самолетные. Космический челнок имеет шасси и приземляется на взлетно-посадочную полосу. При этом замедление скорости снижения происходит вследствие возникновения аэродинамической подъемной силы, которая создается плоскостью крыла. Такие спускаемые аппараты также могут использовать парашют для снижения скорости.

Использование подруливающих устройств. В наши дни этот вариант посадки многими изучается и тестируется. По такой схеме осуществляется посадка марсоходов на Марс, возвращаются на Землю ракеты SpaceX и т. д. В этом случае посадочный модуль замедляется с помощью реактивных двигателей.

При этом скорость свободного падения, которую необходимо погасить, зависит от массы и формы/площади проекции. Более массивные объекты с высокой средней плотностью и меньшей площадью проекции имеют значительно большую равновесную скорость. Например, у первой ступени ракеты Falcon 9 перед последним включением двигателя и посадкой она составляет около 300 метров в секунду.

Искусственный интеллект и математическая логика гарантируют ювелирную точность

Задача точно и плавно опустить спускаемый аппарат на посадочную площадку является достаточно сложной даже для современного развития техники, технологии и систем управления. Ведь представьте себе, что, например, ракетный ускоритель SpaceX высотой 40 метров и весом более 20 тонн, летит обратно на Землю из космоса с гиперзвуковой скоростью и приземляется точно в цель на мысе Канаверал практически с нулевой скоростью.

Почему Илону Маску трудно мягко посадить ракету на Землю

Ракетный ускоритель/разгонный блок является автономной автоматической системой, способной возвратиться на Землю без чьей-либо помощи, используя лишь свои внутренние компьютеры с интеллектуальным программным обеспечением. Генеральный директор SpaceX Илон Маск поставил перед своей командой многоразовых ракет задачу научить ракету возвращаться обратно на Землю и мягко приземляться. И это у них получается.

Спускаемой модуль (разгонный блок) содержит высокоточный GPS-навигатор, гироскопы и акселерометры на верхнем и нижнем концах для точной оценки ориентации, положения и скорости полета. Также имеется огромное количество тензодатчиков, которые отслеживают силы, действующие на конструкцию в критических местах, в частности, тягу двигателя и нагрузки на ключевые элементы. (Тензодатчики — это очень чувствительные тонкие пленки, которые приклеиваются к поверхностям для электрического измерения растяжения и сжатия элементов конструкции).

Все эти входные данные имеют временные метки, поэтому компьютеры с трехкратным резервированием могут вычислить, где модуль находился микросекунду назад, в каком положении, как работали системы и какие были нагрузки. Путем сравнения полученной позиции и вектора полета с желаемым курсом, вычисляется последняя ошибка навигации и подается команда на корректировку.

Компьютеры при этом запускают множество физических уравнений на графических процессорах. Они используются для оптимизации траектории полета и расчета корректировки траектории с учетом неточностей, возникающих от непредвиденных внешних и внутренних факторов, управляя вектором тяги, положением стабилизатора решетки и продолжительностью работы двигателей на заданной тяге.

Ракета-носитель имеет три возможности корректировать курс с помощью маршевых и маневровых двигателей. Каждая корректировка обычно выполняется одним центральным двигателем или тремя дополнительными.

Почему Илону Маску трудно мягко посадить ракету на Землю

Разгонный блок должен полностью замедлиться при приземлении и отключиться с точностью до микросекунд перед приземлением. Незначительная ошибка тяги либо снова поднимет спускаемый блок, либо разрушит опоры приземления (или и то, и другое)

Ракета-носитель разгонного блока становится намного легче после использования топлива и отсоединения от второй ступени, поэтому первое включение тяги достаточно короткое. При этом разгонный блок сначала переворачивается. Работа двигателя в направлении, противоположном полету, снижает горизонтальную скорость, чтобы приземлиться рядом с местом запуска. (Все заранее смоделировано для выбора места посадки).

Включение двигателя при входе в атмосферу в основном используется для уменьшения скорости полета, чтобы блок не был поврежден теплом, возникающим вследствие трения его о воздух (пламя выхлопных газов имеет более низкую температуру, чем температура, возникающая вследствие трения о разряженный воздух на гиперзвуковой скорости), и является также второй возможностью исправить любую ошибку на траектории посадки.

Между первым включением двигателя и включением при приземлении проходит относительно длительное время, за которое разгонный блок перемещается в достаточно плотном воздухе. Ребра решетки в форме сот, расположенные вокруг верхней части, обеспечивают ориентацию разгонного блока в воздушном потоке. При необходимости, если аэродинамического управления будет недостаточно, включается маневровый двигатель малой тяги. Ориентация борта в первую очередь снижает скорость, но любой наклон также изменяет горизонтальную скорость. В этот период блок замедляется от гиперзвуковой до трансзвуковой скорости. При этом до 10% траектории снижения можно использовать для ее корректировки по горизонтали.

Посадочное включение двигателей — это последняя возможность исправить ошибку по горизонтали. Хотя бетонные зоны приземления имеют радиус более 30 метров, опорные устройства посадочных модулей допускают погрешность всего 10 метров. По мере того, как блок замедляется и приближается к посадочной площадке, высший приоритет системы управления обеспечивает обнуление горизонтальной и вертикальной скоростей при касании опорных устройств поверхности. В применяемой системе посадки любая горизонтальная ошибка менее 10 метров является допустимой, хотя Falcon9 обычно приземляется с точностью в пределах пары метров.

Чтобы свести к минимуму расход топлива при посадке, три дополнительные двигатели запускаются последовательно. Их работа прекращается при достижении скорости и высоты, которые позволяют центральному двигателю работать в среднем диапазоне мощности, обеспечивая спускаемому блоку параметры полета для осуществления мягкой посадки. Это управление тягой и наклон центрального двигателя, установленного на карданном подвесе, являются частью системы «управления вектором тяги», которая может обеспечить значительную боковую силу в нижней части блока. По мере того как спускаемый модуль замедляется во время этого последнего включения двигателя, аэродинамические решетки управления теряют свою эффективность. В этом случае для стабилизации положения используются подруливающие устройства, работающие на небольшой тяге. Поскольку они расположены в верхней части, то мало влияют на общее положение основания разгонного блока, а лишь обеспечивают заданное вертикальное положение.

Почему Илону Маску трудно мягко посадить ракету на Землю

Бортовой посадочный радар обеспечивает точные данные о высоте и доплеровской скорости. Во время планирования первой посадки с двух разгонных блоков Falcon Heavy были опасения по поводу возможных помех между двумя посадочными радарами, поэтому посадки ускорителей были намеренно смещены по времени, чтобы свести к минимуму эту возможность

В зоне посадки есть стационарные GPS-приемники, которые обеспечивают непрерывную корректировку координат для бортового GPS-навигатора. Данные от обоих приемников объединяются, повышая точность GPS с трех метров до примерно двух сантиметров относительно места посадки. Также измеряется скорость и направление перемещения воздуха в месте посадки и по каналу данных передается на спускаемый блок.

При посадке на плавучую платформу процесс дополнительно осложняется волнами океана, перемещающими посадочную поверхность, кроме того волны нельзя полностью предсказать на основе анализа прошлых событий.

Почему Илону Маску трудно мягко посадить ракету на Землю

Центральный основной разгонный блок Falcon Heavy приземляется на морскую плавучую платформу SpaceX, расположенную почти в 1240 км к востоку от мыса Канаверал в Атлантическом океане
Источник: naukatehnika.com
Оставить комментарий

Мы используем файлы cookie. Продолжив использование сайта, вы соглашаетесь с Политикой использования файлов cookie и Политикой конфиденциальности Принимаю

Privacy & Cookies Policy