Super Heavy Starship. Первый пуск. Успешный старт и разрушение в полете. Первые мысли

в 11:43, , рубрики: spacex, Starship, Starship Superheavy SpaceX Старшип, Superheavy, инженерные системы, космонавтика, космос, Научно-популярное, первый пуск, ракеты-гиганты, ракеты-носители, сверхтяжелые ракеты-носители, транспорт

Введение

20 апреля 2023 года прошел пуск самой мощной ракеты и, наверное, самой мощной машины, созданной человеком. Почти 7600 тонн-сил тяги или 74 МегаНьютонов силы подняли 5000 тонного монстра в небо.

Несомненно, это событие уже вошло в историю освоения космоса и дает нам надежду, что новый этап полетов к другим планетам солнечной системы не за горами или по крайней мере осуществим в этом веке.

В то же время столь долгожданный первый пуск ракеты был частично успешным. Отрыв от стола, уклонение ракеты от башни и старта, медленный подъем на высоту, прохождение максимального скоростного напора – это уже достижение, потому как ранее с подобными масштабами и размерами ракет у человечества опыта не было.

Рисунок 1 - Подъем СуперХэви и ее уклонение от старта

Рисунок 1 - Подъем СуперХэви и ее уклонение от старта
Рисунок 2 - Виден уклон ракеты

Рисунок 2 - Виден уклон ракеты

О полете

Сразу после старта очевидцы и наблюдатели обратили внимание, что со старта СуперХэви ушел уже с частью неработающих двигателей (была инфографика и визуальный контроль), часть отключилась в полете. Также в полете был явный взрыв, который на удивление не уничтожил конструкцию и ракета продолжила свой полет(наблюдались также небольшие вспышки, которые видны на видео сверху после отметки времени 1:09).

После пуска неоднократно наблюдал на форумах мнения и удивление о значительной прочности конструкции, которая не взорвалась и не разрушилась, войдя в неконтролируемое вращение. Окончательное разрушение произошло по команде на подрыв с помощью системы FTS (Flight Termination System).

Рисунок 3 - Отказ двигателей в полете
Рисунок 3 - Отказ двигателей в полете
Рисунок 4  - Количество отказавших двигателей

Рисунок 4 - Количество отказавших двигателей

Сейчас Спейс-икс получат огромный массив телеметрии и будут разбираться в причинах отказа системы управления и проблемах в двигательных установках (уже есть информация о том, что также отказала гидравлическая система приводов двигателей для управления направлением тяги). На обработку и подробный анализ данных уйдет несколько недель.

А в данной статье я бы хотел обратить внимание на те моменты, которые бурно обсуждают и будут обсуждать в сети, о причинах отказов со старта, о стартовом столе и о разрушениях, которые возможно приведут к задержкам следующих пусков и всей программы.

О результатах

Для начала, об отказах двигателей со старта. Видел много мнений о флешбэках истории Н-1, которая после 4 попыток так и не смогла удачно полететь в космос. Причины отказов были разные, от логики системы управления, до разрушенных топливопроводов двигателей. Но одно было ясно уже тогда и сейчас, подобные мощности ракеты и многодвигательные установки – это серьезная инженерная проблема.

Не вдаваясь в проблему схемного решения расположения двигателей (не являясь в этом специалистом), я точно не могу утверждать, что проблема ракеты только в этом. Но предполагаю, что проблемы Н-1 будут преследовать и СуперХэви. Кольцевое расположение двигателей и автоколебания вызванные шумом и вибрациями, рано или поздно приводят к отказам, повреждениям и разрушениям довольно хрупких тонкостенных конструкций. Доказать свое предположение не могу, проверять это будут инженеры Спейс-икс по результатам анализа информации с сотен датчиков, установленных в двигателях и конструкциях ракеты.

Рисунок 5 - Что-то похожее мы уже видели

Рисунок 5 - Что-то похожее мы уже видели

Остается только удивляться насколько современные и быстрые системы управления могут серьёзно увеличить надежность и отказоустойчивость всей системы. По крайней мере в этом полете, о чем также отмечают многие, несмотря на отказы и взрывы в двигателях, ракета не взорвалась и двигательный отсек работал до последнего, что впечатляет и вызывает уважение к инженерам Спейс-икс.

Однако, серьезные вопросы на мой взгляд возникают к самому старту супер ракеты. Решение Маска отказаться от классического старта в пользу табуретки на ножках без газоотражателя – явная ошибка (о чем он же и писал). С другой стороны, мы увидели невероятный эксперимент на тему «а что будет если большую ракету пустить с ровной площадки».

Бетон, разлетавшийся по сторонам повреждал рядом стоящие конструкции как шрапнель, вполне мог повредить и ракету. Автомобиль на видео снизу, к примеру, стоял на расстоянии 330 метров от стола. А теперь представьте мощь этого явления непосредственно у стола.

Super Heavy Starship. Первый пуск. Успешный старт и разрушение в полете. Первые мысли - 6

Первые и последующие фото стартового стола не внушают оптимизма в части быстрого следующего пуска:

Рисунок 6 - Первое фото разрушений стола

Рисунок 6 - Первое фото разрушений стола
Рисунок 7 -  Фото от 21.04. На фото видны серьезные повреждения фундамента стола

Рисунок 7 - Фото от 21.04. На фото видны серьезные повреждения фундамента стола
Рисунок 8 - Вид с дрона на разрушенные плиты и поврежденный стол

Рисунок 8 - Вид с дрона на разрушенные плиты и поврежденный стол

В сети разошлись два типа комментариев: немало наивных комментариев по типу подольют бетон, подкрасят стол и в полет через пару месяцев (это без учета аварии двигателей?), и комментарии с пессимистичной оценкой , что стол придется делать заново.

Очевидно, что при таких воздействиях всегда будут скрытые дефекты, которых мы не увидим на фото, и они потребуют анализа и дефектовки как бетона, так и железа. Но даже по фото очевидно, что фундамент стола, который должен держать 5000 тонн, частично разрушен.

Не ясно, насколько повреждены сваи стола, но разрушение части фундамента скорее всего не позволит быстро и косметически восстановить бетон и надежно поставить туда ракету. К тому же нет информации на данный момент, насколько сильно повреждены силовые опорные конструкции ракеты в столе и его оборудования, стоит ли стол ровно или его перекосило от ударов струй.

В лучшем случае будет иметь место легкий ремонт, с обязательной доработкой, в худшем - снос данной конструкции и установка нового стола с газоотражателем и системой охлаждения. И это уже не пара месяцев и даже не полгода. Остается надеяться, что бесценные уроки первого пуска будут учтены и второй пуск пройдет удачно.

Рисунок 9 - Заливка основания при строительстве стола

Рисунок 9 - Заливка основания при строительстве стола

Как можно было бы сделать старт

В данной части статьи хотел бы рассказать о том, как можно было сделать старт с точки зрения «классического» подхода и показать примеры, которые позволяют избежать рисков разрушения как стола, так и ракеты при старте.

Для начала немного терминологии, чтобы не запутаться и говорить на более менее одном языке.

Газоотражатель/Gas(Flame) Deflector - устройство разворачивающее газовый поток в нужную сторону от ракеты

Газоотвод/Flame Trench (такой термин применяется в НАСА) – канал для отвода газа в нужную сторону

Стартовый стол(Площадка)/Launch Mount (Pad) - конструкция и местоположение удерживающее ракету перед стартом

Система охлаждения/шумоглушения (часто вижу ошибочное странное название «система подавления») / Water Deluge(Sound Supression) System (</p>" data-abbr="SSWS">SSWS) – система предназначенная для снижения акустических  и тепловых нагрузок на ракету и стол.

Как выглядит классический газоотражатель можно посмотреть на картинках ниже. Пример отражателей и каналов для газа для ракет Saturn-1B и Saturn-V на площадке LC-39A.

Рисунок 10 - Классика стартостроения сверхтяжей от Saturn V

Рисунок 10 - Классика стартостроения сверхтяжей от Saturn V
Рисунок 11 - Газоотражатели лунной программы

Рисунок 11 - Газоотражатели лунной программы

Данная терминология и подходы уходят во времена проектов типа Saturn 5 и Спейс Шаттл. Несомненно новый опыт таких компаний как Спейс-икс интересный и уникальный, но он никак не противоречит опыту предыдущих поколений ракет. Использование лучших практик – это логично и правильно.

С другой стороны, смелость с которой команда Спейс-икс решила запускать ракету тягой 7000 тонн без отражателя и без воды, на мой взгляд, граничит с авантюризмом и шапкозакидательством (неважно чем это вызвано, банальным просчетом или желанием сэкономить время/деньги). Опять же, я считаю, что это интересный и полезный опыт для всех. Но рисковать большим проектом ради экономии бетона или металла довольно странно. Старт оказался наверно самым дорогим в данном мегапроекте, о чем сам Илон Маск говорил в интервью. Но в таком случае его защита – абсолютно логична и необходима.

Посмотрим на пример Спейс Шаттла. При старте челнока с ускорителями в газоотводы выливалось почти 50000 кг воды в секунду. Для подачи такого большого количества воды использовалась водонапорная башня. Спейс-икс также на площадках для Ф9 и Ф9-Хэви используют подобную систему подачи воды для охлаждения и щадящего режима при старте менее мощных ракет.

Однако опыт пусков Спейс-Шаттла показал, что даже жаропрочный
бетон превращается в пластилин при работе мощнейших двигателей (см. фото ниже).

Не спасают даже огромные объемы воды, бетон все равно превращается в пластилин и серьезно деградирует. Но в то же время вода защищает сам корабль и ракету от шума, о чем есть множество информации на сайте НАСА в обзорных статьях и публикациях.

Рисунок 12 - Спейс Шаттлы требовали много воды (LC39). 50 000 литров в секунду

Рисунок 12 - Спейс Шаттлы требовали много воды (LC39). 50 000 литров в секунду
Рисунок 13 - Вода подается на платформу и защищает ракету от шума

Рисунок 13 - Вода подается на платформу и защищает ракету от шума
Рисунок 14 - Повреждение газоотражателя Спейс Шаттла

Рисунок 14 - Повреждение газоотражателя Спейс Шаттла
Рисунок 15

Рисунок 15
Рисунок 16 - Эрозия огнеупорного и жаростойкого бетона

Рисунок 16 - Эрозия огнеупорного и жаростойкого бетона
Рисунок 17 - На СЛС инженеры НАСА решили пойти более надежным путем. Стальные листы лучше уводят тепло и не подвергаются эрозии как бетоны

Рисунок 17 - На СЛС инженеры НАСА решили пойти более надежным путем. Стальные листы лучше уводят тепло и не подвергаются эрозии как бетоны
Рисунок 18 - Много воды для СЛС

Рисунок 18 - Много воды для СЛС

Стоит отметить, что для СЛС инженеры НАСА пошли более надежным и понятным путем, заменили бетонный отражатель на стальной. Сталь как известно лучше проводит тепло, а значит должна меньше перегреваться. Думаю, что после первого пуска СЛС отражатель в отличном состоянии.

Применение воды и нормальных газоотводов для Спейс-икс не секрет. Примеры их испытательной базы наиболее наглядны:

Рисунок 19 - Испытательный стенд в Макгрегоре. Большой газоотвод, а в нем трубы для его  охлаждения

Рисунок 19 - Испытательный стенд в Макгрегоре. Большой газоотвод, а в нем трубы для его охлаждения

Upd1. Отражатель для ракеты Н-1. Фото из сети. Для сравнения тяга ракеты Н-1 составляла порядка 4500 тонн (до полета Суперхэви это была самая мощная в истории ракета)

Рисунок 20 - Пирамида отражатель/рассекатель для Н-1

Рисунок 20 - Пирамида отражатель/рассекатель для Н-1

Понятно было и раньше, а после пуска стало еще очевиднее, что отражатель и много воды для СуперХэви обязательны, в первую очередь для самой ракеты, во вторую - для старта и стола. Можно задать вопрос: как связана конструкция старта и отказы системы управления и двигателей. Выскажу лишь предположение, не претендующее на истину.

Мощнейшие акустические волны и вибрации, в купе с возможным механическим воздействием отлетавшей во все стороны бетонной шрапнели стали причиной неудачного запуска. Произойти могло все что угодно, механическое повреждение элементов корпуса, вибро-акустическое разрушение трубопроводов бака или двигателей, резонанс в конце концов (привет от Н-1). Все эти факторы проверить можно только двумя путями: испытаниями на таком же огромном стенде, либо пуском, чем Спейс-икс и занимается, итеративно усложняя элементы данной системы. Но чем система ближе к своей финальной летной версии, тем она несомненно дороже и сложнее, и здесь речь не только о деньгах, но и физических сроках готовности к пуску следующего прототипа. Каждая следующая итерация будет дольше, дороже и возможные неудачи будут создавать множество вопросов ко всему проекту в целом.

В любом случае, щадящее воздействие на стартовый стол и снижение шумового воздействия на ракету, как минимум исключат факторы, о которых я написал выше и позволят искать проблемы в других частях этой сложной системы.

Выводы

Кратко я бы написал следующее:

1.     Ракета оказалась достаточно надежной и на удивление прочной

2.     Система управления сработала великолепно.

3.     Двигатели необходимо дорабатывать

4.     Стартовый стол нужно делать больше, глубже и заливать водой

5.     Проблемы с отказом двигателей либо связаны с самими двигателями, либо с особенностью схемы их расположения как у Н-1 и тогда проблема либо нерешаема, либо решаема с ухудшением характеристик системы (снижения давлений, тяги, увеличением веса и т. п.)

6.     Это было фантастическое зрелище

Надеюсь второй пуск будет успешным и Cпейс-икс докажет, что выбранная ими схема рабочая , а полеты на марс реальность.

Спасибо за внимание!

Ссылки

  1. www.nasa.gov

  2. youtube.com/@NASASpaceflight

  3. youtube.com/@VideoFromSpace

  4. spacex.com

Автор:
Tim_23

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js