Dlaczego odzyskiwanie rakiet jest ważne dla SpaceX ?
Przeczytaj ten artykuł od SpaceX, aby dowiedzieć się, dlaczego odzyskiwanie rakiet jest dla SpaceX tak ważne.
Jak SpaceX odzyskuje pierwsze człony rakiety Falcon 9?
Są dwa sposoby odzyskiwania rakiet z których korzysta SpaceX: pierwszy to RTLS (ang. Return To Launch Site), czyli powrót do miejsca startu, drugi to lądowanie na ASDS (ang. Autonomous Spaceport Drone Ship), czyli autonomicznej barce na oceanie.
Żeby powrócić do miejsca startu, SpaceX po separacji pierwszego członu obraca go tak, że silniki ustawione są w kierunku przeciwnym do kierunku lotu. Następnie odpalają się trzy silniki które spowalniają rakietę aż do jej całkowitego zatrzymania i odwrócenia trajektorii tak aby pierwszy stopień powrócił do miejsca startu. Proces ten nazywany jest boostback burn. Po boostbacku cztery lotki sterowe otwierają się i prowadzą pierwszy stopień przez naddźwiękową część wejścia w atmosferę. Następnie ponownie odpalane są trzy silniki, co ma sprawić że stopień wejdzie w gęstą część atmosfery z bezpieczną prędkością. Odpalenie to jest nazywane reentry burn. Po jego zakończeniu pierwszy stopień kontynuuje spadanie pod wpływem grawitacji, wciąż zmniejszając prędkość ze względu na opór powietrza, lecąc z prędkością graniczną (maksymalną jaką może osiągnąć pod wpływem grawitacji biorąc pod uwagę opór powietrza). Kilkaset metrów nad powierzchnią strefy lądowania, silnik umieszczony centralnie jest uruchamiany ponownie w celu zatrzymania pierwszego stopnia, celując w zmniejszenie prędkości do 0 m/s dokładnie w punkcie gdzie wysokość wynosi zero. Pierwszy stopień nie może zawisnąć nad powierzchnią, ponieważ nawet ciąg jednego silnika Merlin ograniczony do minimalnej wartości 70%, jest większy niż ciężar całego stopnia. Lądowanie na ASDS wygląda podobnie, z tym że pomijany jest boostback burn (lub jest krótszy), aby wylądować na oceanie.
Czym jest ASDS? Jak wiele posiada ich SpaceX?
ASDS jest pływającą po oceanie platformą do lądowania, zbudowaną na bazie barki, używaną do odzyskiwania rakiet SpaceX poprzez lądowanie na oceanie. Pierwszą barką, która była używana do wszystkich lądowań w pierwszej połowie 2015 roku, była Marmac 300, nazwana przez Elona Muska Just Read The Instructions. W połowie 2015 roku barka wróciła do właścicieli (barka była tylko wynajmowana) i SpaceX zamówiło barki Marmac 303 i Marmac 304. Marmac 304 przebywa obecnie na wschodnim wybrzeżu i służy do lądowania rakiet startujących z Cape Canaveral na Florydzie. Została ona nazwana Of Course I Still Love You. Marmac 303 została przetransportowana przez Kanał Panamski na zachodnie wybrzeże i zacumowana w Los Angeles, aby lądować na niej rakietami startującymi z Vandenbergu w Kalifornii. Została ona również nazwana Just Read The Instructions. Nazwy barek są nawiązaniem do statków z powieści Iaina M. Banksa.
Dlaczego czasami SpaceX decyduje się na lądowanie na ASDS, pomimo tego że są w stanie wrócić rakietą na ląd?
Na początku lądowania odbywały się na barce z powodów bezpieczeństwa, aby nabrać praktyki przed lądowaniem na lądzie. Mimo że SpaceX pokazało, że potrafi skutecznie wykonać RTLS, booster nie zawsze może wrócić do miejsca startu. Główną różnicą między RTLS a lądowaniem na ASDS jest to, że powrót do miejsca startu zużywa więcej paliwa, co wpływa na możliwy do wyniesienia ładunek. RTLS zmniejsza go o ok. 30%, lądowanie na ASDS o ok. 15%. Lądowania na barce są potrzebne podczas startów z wysoką masą i wysoką prędkością, np. na geosynchroniczną orbitę transferową (GTO). Podczas takich misji nie ma możliwości powrotu do miejsca startu, ponieważ stawiają one rakiecie wysokie wymagania. Aby wynieść ciężki ładunek na wysoką orbitę, rakieta musi dostarczyć bardzo dużo energii. Aby wylądować z powrotem na lądzie, prędkość pierwszego stopnia przy separacji nie może być większa niż 6000 km/h. Jeśli rakieta ma wylądować na barce, nie trzeba całkowicie wytracać prędkości poziomej, a więc prędkość przy separacji może dochodzić nawet do 9000 km/h. Innymi słowy, zmiana prędkości potrzebna do boostbacku powoduje zmniejszenie masy ładunku, jaki rakieta może wynieść.
Czym jest obniżona masa ładunku którą może wynieść rakieta?
Wszystkie części i materiały pędne, wymagane do lądowania boostera, obniżają zdolność do wynoszenia ładunków przez to, że zajmują masę, która normalnie byłaby wyniesiona na orbitę. Ten efekt jest dużo poważniejszy dla drugiego stopnia, niż dla pierwszego: każdy kilogram sprzętu do reużywalności zjada kilogram ładunku; ten stosunek jest dużo niższy dla pierwszego stopnia (prawdopodobnie ok. 10%). Poczyniono pewne starania w celu ograniczenia ilości paliwa potrzebnej do boostbacku, poprzez bardziej pionową trajektorię przy wznoszeniu, dzięki czemu prędkość pozioma jest niższa, co obniża ilość paliwa potrzebną do boostbacku. Skutkuje to jednak nieco mniej efektywnym wynoszeniem na orbitę.
Jak przebiegały dotychczasowe próby odzyskiwania boosterów przez SpaceX?
Pełny artykuł: Badania i rozwój
Czy SpaceX użyje ponownie odzyskanego boostera z grudniowej misji Orbcomm?
Nie. Elon powiedział, że zostanie on zatrzymany z powodów historycznych i sentymentalnych. Mimo to zostanie on poddany wnikliwej inspekcji i został na nim przeprowadzony test statyczny na platformie SLC-39A. Obecnie booster jest pomnikiem przed fabryką SpaceX w Hawthorne.
Jak bardzo odzyskiwanie rakiet obniży koszty wynoszenia ładunków na orbitę?
Obecnie cena wystrzelenia noweg Falcona 9 wynosi 61,2 mln dolarów (paliwo stanowi zaledwie 0,3% całości, czyli jakieś 200 000 dolarów). Oczywiście prawdziwy koszt startu będzie zależał od tego, jak wiele razy może zostać użyty dany booster, co wciąż jest poddawane dyskusji. Wg wypowiedzi Elona Muska cena za wystrzelenie przetestowanego w locie boostera wynosi 50 mln dolarów. Jeśliby odzyskać oba człony, to cena za start mogłaby wynieść mniej więcej 5-7 mln dolarów.
Kiedy SpaceX planuje odzyskiwanie drugiego stopnia? Czym są te plany?
SpaceX pracuje nad odzyskiem drugiego stopnia rakiet Falcon 9 i Falcon Heavy. Obecnie firma planuje budowę zmodyfikowanego drugiego stopnia, który będzie przypominał miniaturową wersję statku Big Falcon Spaceship (BFS). Pierwszy lot tak zmodyfikowanej rakiety powinien odbyć się do połowy 2019 roku.
Dlaczego SpaceX nie próbuje zaoszczędzić paliwa poprzez dodanie do rakiet spadochronów?
SpaceX eksperymentowało ze spadochronami w przeszłości (głównie w rakiecie Falcon 1), ale spadochrony są słabo przystosowane do tego zastosowania, ponieważ ekstremalne prędkości i obciążenia sprawiają, że się drą. Spadochrony wystarczająco duże, żeby odzyskać pierwszy człon, są również dosyć ciężkie, a waga ta mogłaby zostać wykorzystana na paliwo potrzebne do wylądowania na ziemi. Spadochronami nie można również sterować.
Przede wszystkim ludzie przeceniają ilość paliwa potrzebną do wylądowania, jednocześnie nie doceniając masy spadochronów (co najmniej kilkaset kilogramów), a także wątłości spadochronów i trudności w ich kontrolowaniu.
Czy nogi Falcona mogą zostać użyte do hamowania aerodynamicznego?
Pierwsza generacja nóg Falcona z której korzystano od misji CRS-3 do JASON-3 nie była używana w ten sposób. Jednak nowa generacja Falcona (nieoficjalnie znana jako v1.2 lub v1.1 FT) ma wytrzymalsze nogi, które mogą zostać rozłożone w wyższych partiach atmosfery i posłużyć do hamowania aerodynamicznego, zmniejszając ilość paliwa potrzebną do wylądowania. Nowe nogi pierwszy raz poleciały w grudniowej misji Orbcomm OG-2, jednakże nie były użyte do hamowania. Na filmie z pierwszego stopnia widać, że nogi były rozłożone zaledwie kilka sekund przed lądowaniem.
Czy Falcon może ponownie złożyć swoje nogi?
We wcześniejszych wersjach rakiety ten mechanizm działał tylko w jedną stronę, wykorzystując do ich rozłożenia hel. Po rozłożeniu ponowne złożenie byłoby dość skomplikowane. Z tego powodu SpaceX usuwało je, zamiast po prostu je złożyć. Było to zademonstrowane z odzyskaną rakietą po misji Orbcomm OG-2 z odzyskanym boosterem. W wersji Block 5 nogi składają się.
Dlaczego Falcon ma 4 nogi? Czy więcej nóg nie zapewniłoby więcej pewności?
W skrócie: a) cztery nogi są lżejsze niż pięć, b) cztery nogi lepiej pasują do układu silników Falcona (octaweb) niż pięć. Układ silników Falcona zapewnia mocną strukturę i silne połączenie pomiędzy silnikami i zbiornikami, więc dodanie punktu przymocowania nogi do tej struktury przenoszącej obciążenia było relatywnie proste. Jeśli SpaceX dołożyłoby kolejną warstwę strukturalną, wprowadziłoby to dodatkową masę i niepotrzebną złożoność.
Czy nogi Falcona są reużywalne? Podczas testów F9R wyglądały jakby się paliły.
Nogi pokryte są ablacyjną farbą w celu ochrony. Należy również pamiętać, że odpalenia silników przy lądowaniu nie są aż tak długie jak odpalenia wykonywane przez F9R. Nogi będą musiały być wyczyszczone i sprawdzone, używając nieinwazyjnych sposobów, aby upewnić się, że wewnętrzna konstrukcja plastra miodu jest wciąż zdolna do użytku i nic się nie rozwarstwiło.
Co sprawia, że na pierwszym stopniu Falcona po lądowaniu znajdują się ślady sadzy, i czemu na jego części jej nie ma?
Zbiornik z ciekłym tlenem (-207 °C) znajduje się powyżej zbiornika z RP-1 (-12 °C). Ponieważ powłoka zbiornika z tlenem jest dużo zimniejsza, znacznie więcej lodu zbiera się właśnie nad tym zbiornikiem. Jako że sadza wytwarzana przez silniki nie przylega do lodu, ale przylega do samej rakiety, efektem są takie wzory jako widzimy.
Falcon czasem przewracał się po lądowaniu. Czy pomogłoby dodanie lin na których by się szybko oparł lub „poduszek” na które mógłby upaść?
Pierwszy stopień Falcona 9 ma ponad 40 metrów wysokości (jest tak wysoki jak np. 13-piętrowy budynek) i waży ok. 20 ton. Jakakolwiek konstrukcja “łapiąca” booster musiałaby bardzo szybko się zamknąć, a siły wymagane do poruszania tak wielkim obiektem są ogromne. Można to porównać do próby złapania dziecka za szyję garotą. Pierwszy stopień jest cienki i wysoki i nie jest przystosowany do radzenia sobie z dużymi bocznymi siłami. Dodatkowo, “struktura łapiąca” musiałaby na początku znajdować się daleko na zewnątrz, żeby nie została zahaczona przez nogi boostera podczas lądowania, szczególnie jeśli lądowanie nie odbywałoby się idealnie na środku.
Otoczenie lądowiska miękką powierzchnią na którą mógłby się przewrócić booster jest problematyczne ponieważ powierzchnia ta musiałaby się znajdować blisko miejsca lądowania, a nie mógłby on przecież lądować bezpośrednio na niej. W związku z tym drastycznie zmniejszyłaby się ilość miejsca do lądowania, zwiększając prawdopodobieństwo nieudanej próby. Dodatkowo pierwszy stopień jest kruchy i mógłby i tak nie wytrzymać upadku na bok.
Próba wymyślenia sposobu na rozwiązanie tego problemu może być niezłą rozrywką, ale najprostszym rozwiązaniem jest zwiększenie niezawodności istniejącego systemu, żeby wszystko działało zgodnie z planem. Celem SpaceX jest stworzenie systemu pozwalającego na lądowanie na innych planetach, nie tylko na Ziemi, gdzie na pewno nie będzie zbudowanych wcześniej systemów wspomagających lądowanie.
Jak bardzo uszkadza się barka, kiedy booster wybucha?
Specyfikacja producenta mówi że barka waży ok. 4400 ton. Pusty pierwszy stopień to ok. 18-25 ton. Stosunek masy wynosi ok. 200:1. Można to porównać do dużego ptaka uderzającego w szybę samochodu - trzeba wymienić szybę, ale cały samochód nie będzie zniszczony.
Czemu transmisja na żywo z barki urywa się, kiedy booster zaczyna lądować?
Utrata sygnału następuje, kiedy booster zbliża się do barki i powoduje wibracje anteny satelitarnej. SpaceX przewiduje wystąpienie tego efektu i informuje, że wideo z barki może zostać przerwane w transmisji na żywo, nie jest to robione celowo. To, co widzimy w transmisji na żywo, nie różni się od tego, co widzą pracownicy w Hawthorne. Oprócz tego, jest to najlepszy możliwy sposób prowadzenia transmisji. Inne pomysły, takie jak kilkudziesięciometrowy kabel prowadzący do nadajnika na pobliskim statku, nie zadziałają.
Jak jest mierzona odległość do podłoża w F9R albo Dragonie 2?
Według Elona, Grasshopper (pierwsza wersja, nie F9-R Dev1) używał wysokościomierza radarowego przynajmniej podczas jednego lotu, ale nie ma informacji czy F9-R go używa. Gdyby zebrać dane z tego wysokościomierza oraz systemów GPS i nawigacji inercyjnej, razem tworzyłyby złożone rozwiązanie nawigacyjne, co wraz z zaawansowanymi algorytmami z których mogą korzystać komputery pokładowe, zapewnia wysoki stopień pewności odczytów.
Czy startując Falconem z Brownsville można wylądować pierwszym stopniem na Cape Canaveral, żeby zaoszczędzić paliwo?
Elon Musk odpowiedział na to pytanie osobiście. W przypadku Falcona Heavy, boczne boostery oddzielają się zbyt wcześnie żeby łatwo dostać się na Cape Canaveral, natomiast środkowa część oddziela się za późno. Jednak większym problemem jest to, że lot stopniem rakiety po balistycznej trajektorii nad zamieszkałymi terenami jest zbyt niebezpieczny. O ile rakieta startująca z Cape Canaveral leci nad lądem tylko w ostatniej chwili (autorem grafiki jest użytkownik reddita /u/zlsa), to lecąc z Teksasu rakieta musiałaby pokonać całą drogę w poprzek Florydy.
Jak to się stało, że lotkom sterowym zabrakło płynu hydraulicznego podczas misji CRS-5? Czy systemy hydrauliczne nie są zamknięte?
Można porównać hydraulikę lotek sterowych do koła wodnego. Jedno i drugie wykorzystuje ciśnienie hydrauliczne, ale nie są to zamknięte systemy. Dopóki strumień źródłowy płynie, maszyna pracuje. Otwarty system pozwala zaoszczędzić na masie przez brak pomp. Ciecz pod ciśnieniem (RP-1) przepływa przez rurę, porusza lotką, a następnie trafia do głównego zbiornika z paliwem. Dwie możliwe konfiguracje to otwarta (duży zbiornik, więcej cieczy) i zamknięta (mały zbiornik, mniej cieczy i pompa). Jeżeli można zbudować zbiornik z całym potrzebnym paliwem i waży on mniej niż mniejszy zbiornik z pompą, oznacza to, że jest to najbardziej efektywny sposób. Ma to sens, ponieważ lotki sterowe używane są przez mniej niż 4 minuty. Gdyby musiały być kontrolowane przez ponad 10 minut, wtedy potrzeba by było znacznie więcej płynu hydraulicznego, więc pozbycie się jego większości i zamontowanie pompy żeby móc go ponownie użyć byłoby bardziej sensowne.