Skip to content
 

«Грассхоппер». Это, пожалуй, покруче Х-37В…

Всё, дальше отступать некуда. Хотя предновогодняя суета – а я ж был почти три недели выключен из жизни, так что на последние дни дел выпало многоватенько… и отнюдь не все они сделаны… Так вот, предновогодняя суета и постоянно действующее желание полулежать на диване и читать книжку про «Шарнхорст», «Гнейзенау» и «Блюхер», эти два фактора сильно противодействуют собранности и, главное, вдохновению.

И тем не менее.

Испытание «Грассхоппера»

24 декабря Админ прислал мне ссылку – это про неё я говорил в посте от 26.12.12. Кликнув, видим привычные кадры; но штука в том, что привычны-то они нам по фантастическим фильмам, а в реале ничего подобного ещё не было! Во всяком случае, я о таком не знаю.

Речь о третьем испытательном полёте аппарата «Грассхоппер», изготовленного и испытываемого фирмой SpaceX в рамках проекта создания МНОГОРАЗОВОЙ ракеты-носителя среднего класса с ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОСАДКОЙ.

Сначала посмотрите:

Да, важно: включите звук. Кликайте сюда.

Третье испытание. Полёт длится 29 секунд, «Грассхоппер» поднимается на высоту около 40 метров и аккуратно садится на посадочные опоры.

Не выдержу, повторю: сколько раз мы видели такую посадку в фантастическом кино, начиная, наверное, с фильмов 1930-х годов! Поэтому у человека, который не сильно в курсе реальной космонавтики, кадры сии не вызывают особых эмоций. Как же нас испортили спецэффекты в кино! Мы не удивляемся тому, что воистину достойно удивления…

А эта посадка, граждане, его достойна. Сколько было разговоров, проектов, реальных машин «в железе», и все они не такие. (Для корректности – почти все; об этом – ниже).

Обращаю внимание: сейчас речь не о космических аппаратах, а о ракетах-носителях. КА с ракетным торможением-приземлением разрабатываются вполне серьёзно – вспомнить хотя бы нашу «Зарю» 1980-х годов и наш же новый пилотируемый корабль ПНТ КН, призванный заменить «Союзы» – я писал о них вот здесь. Или суборбитальный пока New Shepard компании Blue Origin (вот здесь, чуть дальше середины статьи). То есть ракетная посадка для маленьких, в несколько тонн, аппаратов рассматривается вполне серьёзно.

Но тут-то – ракета-носитель! И не какая-то крошка сверхлёгкого класса, а полноценный средний класс, потяжелее и помощнее отечественной «среднеклассной классики» – многочисленных модификаций «Союза». Для спасения первых ступеней компании – гиганты аэрокосмоса проектируют и уже порой применяют что угодно, кроме ракетной посадки. Самый очевидный пример – твёрдотопливные ускорители шаттлов. Они, как известно, спускаются на парашютах в воду. Такую же парашютную посадку пробовали приспособить к первой ступени лунного «Сатурна» 5; а помимо того – варианты с аэростатами и даже авторотирующим вертолётным винтом.

И, конечно, с крыльями, по-самолётному. Вообще, крылья для посадки космического аппарата или носителя – это самая модная тема практически на всём протяжении космической эры. И ведь реализовали, я бы сказал, триумфально реализовали. Ведь космические самолёты Space Shuttle и «Буран» – это огромные машины посадочной массой под 100 тонн, и они садятся на крыльях.

100 тонн – это даже значительно больше, чем масса отработавшей первой ступени ракеты-носителя среднего класса…

Вот и для новой нашей ракетно-космической системы МРКС, проектируемой в ГКНПЦ им. Хруничева, принята самолётная схема спасения «боковушек»…

Почему же крылья? Почему такая страсть к крыльям?

В конце статьи, на которую я выше уже ссылался, я привёл такой пример. 392-тонный «Руслан» поднимают в воздух четыре двигателя с суммарной максимальной тягой 93,6 тонн. Для вертикального же старта конструкции одинакового с «Русланом» веса нужна тяга порядка 500 тонн. (а для посадки – не менее 400 тонн, это я теперь уточняю). Вот что это за ресурс – аэродинамическая подъёмная сила. Можно ли осуждать разработчиков за то, что они хотят им воспользоваться?

Нет, нельзя сказать, что так уж совсем никто не занимался вертикальной ракетной посадкой. Такие проекты разрабатывались, например, в США, начиная с рубежа 50-60-х годов прошлого века. Я не буду здесь их описывать, потому что это уже сделано, и гораздо лучше, чем если бы это сделал я. Сделано это никем иным, как нашим другом Сергеем, и я советую вам почитать – вот здесь. Кстати, прочтёте и о других причинах, обусловивших лидерство горизонтальной «крылатой» схемы посадки. И, советую, заглядывайте в гиперссылки; разве что кроме цифровых.

Как бы то ни было, уже в конце 1960-х выбор был сделан: будущее – за крылатыми кораблями.

А трудности… Трудности «в полный рост» выявились позже. Поначалу-то кажется – что такого? Летают же самолёты, даже и на трёх звуках летают; а насовский Х-15А летал и на семи… Остаётся не так уж много… Десятилетия эксплуатации шаттлов, опыт проработки десятков других проектов – вот что понадобилось, чтобы понять, чем приходится платить за этот мощный, завлекательный ресурс. И теперь гордые одноступенчатые космолёты вроде «Венчурстара» сошли с конструкторских кульманов; а другие, вроде английского HOTOL’а, уже насчитывают десятки лет в своей истории и ещё немало насчитают, прежде чем – и если! – появятся на стартовых площадках космодромов. Да и более скромные задачи, типа крылатых боковушек МРКС, тоже не обещают быть решёнными в следующем году…

Что же говорить о скромных «частниках»! Они позволяют себе порой лишь крылатые орбитальные ступени, вроде Dream Chaser’а от Sierra Nevada Corp.

Но как же носитель? Тут потруднее. «Частники», охотно конкурируя с гигантами в области пилотируемых космических аппаратов, редко отваживаются подступиться к крупным ракетам-носителям. Но вот SpaceX отважилась. Да ещё как! Мало того, что она уже сделала работоспособный «среднеклассный» носитель, она ещё собирается сделать вариант heavy, это уже будет носитель тяжёлого класса. А свой «среднекласный», Falcon 9, она собирается превратить многоразовый. И вместо столь популярных крыльев выбрала вертикальную посадку на тяге маршевого двигателя. И вот теперь успешно отрабатывает, как теперь говорят, технологию такой посадки на экспериментальном аппарате «Грассхоппер».

А, собственно, почему бы и нет? Настолько ли велик выигрыш от применения крыльев, чтобы ради него втягиваться в сложнейшую работу с отнюдь не гарантированным результатом?

Давайте посчитаем. Подчеркну: это будет не расчёт в смысле даже пред-пред-предэскизного проекта. Это будет просто оценка: что потребуется отдать, чем пожертвовать, чтобы обеспечить вертикальную ракетную посадку первой ступени ракеты-носителя среднего класса. А проще говоря, я сейчас попробую прикинуть, «во что обойдётся» посадка конкретного «Фолкена-9» – ведь мы же о нём говорим?

Да, кстати. Хотите, считайте это занудством, но не буду называть Falcon «фальконом», хотя весь интернет пишет именно так. Эх, братия некультурная! Транскрипция слова falcon, что по-аглицки, как известно, означает «сокол», – фолкен, или, если хотите, фолкэн. Я это знаю с 1960-х годов, когда впервые прочитал о ракете AIM-4 класса «воздух-воздух» – первой такой УР, принятой на вооружение в США, да и во всём мире; она тоже называлась «Фолкен». И вот теперь журналистская братия, которая в слове «Флорида» с понтом ставит ударение на первом слоге, игнорируя несколько сотен лет существования этого слова в русском языке, эта не чрезмерно отягощённая культурным багажом, но зато счастливо-самоуверенная братия пишет «фалькон»… Так читали наши деды, во времена которых главным иностранным языком у нас был немецкий. С детства помню: мазь Вилькинсона. Она и сейчас так называется, хотя изобретший её Уилкинсон был английским врачом. Но дело-то было в XIX веке, вот и осталось до сих пор дедовская транскрипция – Вилькинсон.

В одном месте в интернете я увидел даже «фэлкон»… Этот парень, наверное, очень гордился собой: знает, как читается «а» в закрытом слоге…

Наверняка гордился – в точности как я сейчас :) Но я-то обоснованно… :)

Короче, давайте считать.

«Грассхоппер», как пишут, это конструкция первой ступени ракеты-носителя «Фолкен-9», на которую установлен один ЖРД «Мерлин» 1D и посадочный узел с четырьмя опорными ногами. Настоящая же ступень будет иметь девять «Мерлинов» – ведь ей надо не только садиться в почти пустом состоянии, но и взлетать, заправленной под завязку. Но есть весьма серьёзные основания считать, что на посадке, как и у «Грассхоппера», будет работать только один двигатель. Во-первых, больше не нужно. Во-вторых, намного больше и нельзя – пустая ступень, являющаяся фактически тонкой оболочкой, не выдержит сколь-нибудь значительных ускорений при торможении. В-третьих, неспроста уже на второй версии ракеты, в системе «Фолкен-9» v1.1, расположение двигателей изменено: вместо трёх рядов по три двигателя теперь компонуется – один движок в центре, остальные по кругу…

Объект описали, идём дальше. Сухую массу 1-й ступени «Фолкена-9» я найти не смог, и тем более не смог найти сухую массу «Грассхоппера»; придётся обходиться аналогией. В качестве таковой возьму я первую ступень ракеты-носителя «Зенит-2». Её заправленная масса 353 тонны, сухая масса – 28 тонн. То есть сухая масса составляет 7,93% от стартовой.

Не будем скряжничать, дадим многоразовому «Фолкену» 10%. С одной стороны, он на четверть века моложе «Зенита-2», стартовавшего первый раз в 1985 году, то есть его конструкция имеет все шансы быть относительно более лёгкой. Но, с другой стороны, там же есть посадочный узел с ногами, чего у «Зенита» нет. Так что – 10%, и закончим торговлю :)

Заправленную массу возьмём от носителя «Фолкен» 9 v1.0, он весит на старте 318 т. Употребив наши 10% и чуть-чуть округлив, получим сухую массу 32 т.

Моё предложение: давайте назначим посадочную массу ступени в 50 тонн – добавим к 32 тоннам конструкции 18 тонн топлива – и поглядим, что получится.

Теперь нам нужно понять, откуда начинается торможение. Опять прибегнем к аналогии.

Известно, что наши конструкторы собирались сделать возвращаемыми «боковушки» ракеты «Энергия» – её первую ступень. Садиться они должны были на парашютах, которые вводились на высоте 5 км при скорости 70 м/с. А до этого гашение скорости производилось аэродинамически, правда, с помощью маленького тормозного парашюта. Но это, знаете ли, больше для ориентации и стабилизации – что-то вроде парашютика у противотанковой гранаты РПГ-6.

Почему бы нам не принять те же 70 м/с как исходную скорость садящейся ступени «Фолкена», на которой включается на торможение его «Мерлин»? Принимаем.

Про двигатель «Мерлин» 1D известно, что его тяга у земли составляет 65 тонн у земли. При тормозимой массе, как мы условились, 50 тонн это означает, что он создаст ускорение торможения 13 м/с². То есть затормозит ступень до нуля менее чем за 6 секунд.

Прекрасно; а сколько же топлива он съест за это время?

Я нашёл значение удельного импульса «Мерлина» 1D только для вакуума: 310 с. Нас вакуум не интересует; по аналогии с другими модификациями «Мерлина» примем значение этого параметра на уровне моря равным 270 с. Пусть даже 260 с – для круглости цифр. Это значит, что одна тонна топлива может в течение одной секунды создавать тягу 260 тонн. Точнее, могла бы, если бы двигатель имел соответствующую размерность. Но его размерность рассчитана на 65 тонн тяги, поэтому удельный импульс 260 с означает, что на одной тонне топлива «Мерлин» 1D может держать тягу 65 тонн в течение 4 секунд.

То есть для гашения скорости нам потребуется всего полторы тонны топлива!

Вот и всё. У нас осталась ещё 16,5 тонн, чтобы, аккуратненько регулируя тягу вокруг значения, равного остающемуся весу ступени, спокойненько сесть на четыре крепенькие железненькие ножки.

Честное слово, вряд ли столько понадобится. Видели, сколько занимает снижение «Грассхоппера» после висения? Секунд 8? То есть – 2 тонны топлива… И даже меньше, потому что тяга у нас не 65 тонн, а меньше 50; соответственно меньше и расход компонентов.

Повторяю: всё это даже не приблизительный расчёт, а примитивная качественная оценка. Почти наверняка будут иными условия начала «двигательного» торможения; может быть, начинаться оно будет не с 70, а, скажем, с 120 м/с. Да мало ли что ещё…

Но – неважно! Мы прикинули КАЧЕСТВЕННО, чем нужно пожертвовать ради вертикальной посадки 1-й ступени. И выяснилось, что нам более чем хватит лишних 18 тонн топлива. Я бы сказал, и 8 хватит за глаза. Откуда они вычитаются, эти 8 тонн? Из веса второй ступени. А этот вес – тонн 120–150; так, может быть, ничего страшного? Может, пожертвуем, посчитаем по-другому траекторию выведения? Будет оно не таким эффективным; но выигрыш-то – многоразовая первая ступень!

А можно и по-другому зайти. Та же наша «боковушка» от «Энергии» должна была иметь вес средств возвращения – 14,7 тонны (см.). А у нас – 8 тонн с запасом.

А сколько веса потребуют авиационные прибамбасы, если мы захотим делать для этой же ступени самолётную посадку? Всякие крылья-кили-элероны? А как они скажутся на эффективности выведения?

Видимо, слишком много они потребуют, слишком нехорошо скажутся, раз крылатых возвращаемых первых ступеней до сих пор никто всерьёз делать не брался.

Так что давайте ещё раз споём славу SpaceX в частности и новой, «негосударственной» космонавтике вообще. Похоже, зря я на неё губу кривил. Если SpaceX сделает свой Falcon Heavy – что ещё надо?

А ведь говорил мне Админ… :)

2 комментариев

  1. Сергей:

    С Новым годом вас!

    На лентах rss технических сайтов эта новость уже давно была. Вместе с тем это действительно прорыв.
    Перечитываю сейчас подшивку журнала «Техника Молодежи» за 80-е (правда в электронном виде, бумажных у меня всего два года есть, а электронные я скачал начиная с 60-х, как впрочем и «Науку и Жизнь»), а там с 85-го печатали великолепную рубрику «Клуб электронных игр», и центром повествования было как раз численное моделирование различных космических полётов. Вот там все нюансы посадочных скоростей, тяги, перегрузок и тд можно было прочувствовать. 8)
    Сейчас конечно есть отличная в плане физики бесплатная игра Orbiter.

    PS Есть неплохой современный художник Алекс Андреев (то ли Алексей, то ли Александр). Он рисует картины научно-фантастического содержания, сейчас просто для души делает иллюстрации к «Непобедимому» Станислава Лема — _http://alexandreev.livejournal.com/
    По тэгу «Непобедимый» можно все просмотреть. Там ещё «Эдем» и «Кин-дза-дза» есть.

    • master:

      Сергей, я знаю, что это новость не новая. Но я сколько раз говорил: я не новостник. Для новостей, действительно, есть ленты. Я беру новость, когда она меня чем-то цепляет, и стараюсь здесь показать, чем именно. Думаю, потому и стоит — если, конечно, стоит, — читать мо блог. Так что, если это упрёк, то он не ко мне :)

      Посмотрел картины Андреева, интересно, спасибо. Но ссылку всё же делаю неактивной, Вы уж извините. Почему — тоже уже объяснял. Ничего личного, я со всеми теперь так делаю. Напугали меня, говорят, это вредит рейтингу в поисковиках, а он у меня и так, на мой взгляд, незаслуженно мал. Не обижайтесь.

Написать отзыв

CAPTCHA изображение
*