Как ракеты приземляются на Землю? Вовлеченные удивительные технологии

Океан – кладбище ракет. Дно океана засорено обломками тысяч сгоревших ракет, спутников и шаттлов. Повторное использование ракет означает меньшее количество отходов, меньшие затраты и гораздо более легкую возможность вернуться из пункта назначения.

Мы видели, как космический корабль приземляется и снова легко взлетает, – это то, что мы тысячу раз видели в фильмах. Теперь мы видим это и в реальной жизни. SpaceX успешно запустила и посадила более 50 ракет с тех пор, как они начали попытки в 2015 году.

Итак, как ракеты могут приземлиться на Землю? В этой статье будут рассмотрены невероятные технологии, лежащие в основе многоразовых ракет.

Проблемы посадки ракет

Есть несколько проблем с посадкой ракет, даже если они только частично пригодны для повторного использования.

• Топливо : чтобы покинуть атмосферу Земли, ракете требуется поразить невероятную скорость 17 500 миль в час, также известную как космическая скорость. Для этого требуется колоссальное количество топлива. В качестве топлива обычно используется невероятно дорогой жидкий кислород. Для успешной посадки ракеты необходимо топливо в резерве.
• Тепловая защита : для истинного многоразового использования вся ракета должна быть оснащена тепловой защитой, которая обычно остается только для той части, которая будет падать обратно на Землю. Это предотвращает повреждение или разрушение частей ракеты при повторном входе в атмосферу Земли. Это также верно и для ракет, нацеленных на Марс .
• Шасси : Ракета также требует шасси. Он должен быть как можно более легким, сохраняя при этом прочность, необходимую для поддержки массивной ракеты (Falcon 9, одна из ракет SpaceX, весит 550 тонн).
• Вес : чем тяжелее космический корабль, тем больше требуется топлива и тем труднее будет вернуться в атмосферу. Пустые топливные баки добавляют ракете сопротивление и вес, поэтому топливные баки обычно роняют и позволяют сгореть в атмосфере. Кроме того, тепловая защита и шасси значительно увеличивают вес.

Как мы уже упоминали, SpaceX уже много раз удавалось этот невероятный подвиг . Так в чем же удивительная технология многоразовых ракет?

3D печать

3D-печать революционизирует отрасли по всему миру, не в последнюю очередь технологии, лежащие в основе ракет. Фактически, некоторые ракеты теперь почти полностью напечатаны на 3D-принтере.

Одним из преимуществ 3D-печати является то, что инженеры могут производить меньше деталей. Печатные детали могут быть намного сложнее и не требуют дорогих и уникальных производственных инструментов для каждой детали. Это снижает стоимость создания ракет и увеличивает эффективность производственного процесса.

3D-печать топливных баков означает, что вам не нужны швы в металле – типичное слабое место, которое может вызвать проблемы в ракетах. Еще одно важное преимущество 3D-печати – это возможность изготавливать оптические детали из легких материалов, что снижает общий вес ракет.

Ретропульсия и наведение

Чтобы ракета приземлилась, ретроградная тяга должна быть больше веса ракеты. Ее также необходимо использовать в векторе, что означает, что тяга является направленной и может использоваться для стабилизации снижения ракеты.

Чтобы ретропульсивная установка могла стабилизировать ракету, она должна иметь очень точную информацию о положении, высоте и угле полета ракеты. Для этого требуются высокотехнологичные системы, обеспечивающие точные измерения в реальном времени с прямой обратной связью с двигателями. Они называются системами управления реакцией (RCS).

Системы управления реакцией

RCS обеспечивает небольшую тягу в нескольких направлениях для управления высотой и вращением ракеты. Примите во внимание тот факт, что вращение может включать в себя крен, тангаж и рыскание, и что RCS должен будет предотвращать все это одновременно, одновременно контролируя спуск ракеты.

RCS использует несколько двигателей, расположенных в оптимальной конфигурации вокруг ракеты. Основная проблема с подруливающими устройствами – это экономия топлива.

Одним из примеров является ракетная система SpaceX Merlin. Это набор из 10 отдельных двигателей, управляемых системой управления с тройным резервированием. У каждого из 10 механизмов есть блок обработки, и каждый блок обработки использует три компьютера, которые постоянно контролируют друг друга, чтобы значительно снизить вероятность ошибок.

В двигателе Merlin в качестве топлива используется RP-1 (керосин высокой степени очистки) и жидкий кислород. Самая последняя версия двигателя может дросселировать (контролировать, сколько мощности он использует) до 39% от его максимальной тяги, что важно для высокого уровня управления при посадке ракеты.

Решетчатые ребра

Решетчатые плавники используются для направления многоразовых ракет, таких как Falcon 9, на место приземления. Изобретенные в 50-х годах решетки-стабилизаторы использовались в нескольких ракетах.

Ребра решетки выглядят как картофелесосы, которые торчат под перпендикулярным углом из ракеты. Их используют, потому что они обеспечивают высокий уровень управления полетом ракеты на гиперзвуковых и сверхзвуковых скоростях. Напротив, традиционные крылья вызывают ударные волны и увеличивают сопротивление на этих гораздо более высоких скоростях.

Поскольку решетчатые ребра пропускают воздушный поток через сам киль, у него гораздо меньшее сопротивление, в то время как ракету можно вращать или стабилизировать, вращая или наклоняя киль, как крыло, но более эффективно.

Другая причина, по которой используются сеточные штрафы, заключается в том, что с многоразовыми ракетами они технически летят назад при приземлении. Это означает, что передняя и задняя части ракеты должны быть очень похожими, чтобы ими можно было управлять в любом направлении.

Шасси

Очевидно, что для многоразовой ракеты потребуется какое-то шасси. Они должны быть достаточно легкими, чтобы не резко увеличивать количество топлива, необходимого для полета и повторного входа в атмосферу, но также достаточно прочными, чтобы выдерживать вес ракеты.

В настоящее время в ракетах SpaceX используются 4 посадочные опоры, которые во время полета складываются относительно корпуса ракеты. Затем они складываются под действием силы тяжести перед приземлением.

Но Илон Маск заявил в январе 2021 года, что для самой большой ракеты SpaceX, сверхтяжелой ракеты-носителя, они будут стремиться «поймать» ракету с помощью рычага стартовой башни. Это уменьшит вес ракеты, потому что ей больше не понадобятся опоры для приземления.

Посадка на стартовую вышку также означает, что ракету не нужно будет перевозить для повторного использования. Вместо этого его просто нужно будет переоборудовать и заправить там, где оно есть.

Это еще не все

Ракеты взлетали и летели в космос на протяжении десятилетий, но для их безопасного возвращения на Землю для повторного использования потребовалось множество технологических прорывов.

Мы не смогли охватить все удивительные технологии, используемые в ракетах, которые могут приземлиться на Земле, но мы надеемся, что вы узнали что-то новое в этой статье! Технологии космических полетов стремительно развиваются, и интересно подумать о том, что может быть возможно через несколько коротких лет.