Почему SpaceX, Boeing и Blue Origin отбросили башни спасения?
- Не то чтоб даже и авторский перевод, а скорее пересказ существа вышел. Уж очень много повторов, простительных в устной речи ляпов и трёпа... Некоторые формулировки запросто поправил и позабыл какие, несколько добавил и даже иллюстрации другие. В обмен на недоразумения перевода. И я бы ещё шире контекст ввёл и ещё бы сократил... Но статья ценна не точностью или слогом, а идеями, наблюдениями. Автор - молодец. Проверка некоторых фактов из неё тоже выявляют погрешности, но не по сути.
- Источник:
- https://everydayastronaut.com/abort-towers/
- А скорее, это видео, продолжительностью 19:30:
Click to viewВ частной космической отрасли тенденция в системах аварийного спасения во время пуска (далее САС): все три компании отказались от классической башни аварийного завершения пуска, которые, как мы знаем, преобладали. Спускаемые аппараты космического корабля (далее капсулы), вроде Mercury, Apollo и даже «Союза», использовали башню сверху отделяемого отсека с экипажем, чтобы спешно оторваться от аварийной ракеты-носителя.
А чтобы сделать тему занятнее, рассмотрим ещё тренд САС... Две капсулы SpaceX Crew Dragon и Boeing Starliner используют ракетные двигатели на жидком топливе (далее ЖРД) вместо твердотопливных ракетных двигателей (далее РДТТ) спасения.
Итак, поговорим о конструктивных соображениях отказа от башен САС SpaceX, Boeing и Blue Origin на космических кораблях, и о том, почему, чёрт, Boeing и SpaceX используют ЖРД вместо твердотопливных.
Из-за того что Boeing и SpaceX имеют серьёзные неудачи с ЖРД САС, включая потерю испытательной капсулы, возникает вопрос... вообще, это хорошая идея?
За каждой системой стоит множество забавных инженерных решений. Если вы на крыше многоэтажки, заполненной взрывчатым веществом, принято считать хорошей идеей - быстро улететь, если что не так. Когда-то применялась схема, в которой по всей длине ракеты укладывали три провода. Обрыв двух из трёх запускал двигатели для отделения за доли секунды отсека с экипажем.
Понятно, что двигатели САС должны быть мощными, чтобы быстро отвести корабль от неисправной ракеты. Они могут несколько секунд создавать ускорение до 15 единиц. Не говорю, что это звучит весело... Но... ну да, на самом деле ужасно: будто несколько секунд подряд сбивает седельный тягач... да, нет, спасибо!
С самого начала полётов людей в космос, по крайней мере, в США, инженеры выбрали башню на капсуле. Вот эти причудливые леса с несколькими реально мощными ракетными двигателями у капсул Mercury, Apollo, «Союз» (СССР), Shenzhou (Китай), а также грядущим Orion и Gaganyan (Индия).
Все эти корабли используют РДТТ в САС, потому что РДТТ очень мощны для своих размеров, разжигаются мгновенно, просты и относительно безопасны, когда их не используют.
Схема с башней называется тянущей, поскольку сопла спереди тянут корабль, в отличие от большинства ракетных двигателей, сопла которых толкают снизу - толкающих.
На трёх новейших капсулах отказались от тянущей САС, а использовали толкающую. Забавнее, что у SpaceX, Boeing и Blue Origin, вроде бы, разные причины для этого.
Начнём с New Shepard - капсулы Blue Origin. Один из двух игроков в суборбитальный туризм, соперник космического самолёта SpaceShipTwo Virgin Galactic. Только New Shepard предлагает реактивную САС. РДТТ установлен в самом центре капсулы под чем-то вроде стола, вокруг которого кресла пассажиров у окон. Но на самом деле, это большой взрывостойкий отсек с толкающим РДТТ.
Окна New Shepard, кресла и торчащий по среди салона отсек толкающего РДТТ САС с надрисью Blue Origin.
Любопытно, насколько шаткая система в использовании... после срабатывания корабль раскачивается и, наконец, опрокидывается.
3:40 испытания САС Blue Origin New Shepard в 2016, где видна неустойчивость капсулы после аварийного отделения.
Вероятно, это связано с тем, что тяга близка к центру масс и давления воздуха, что делает его неустойчивым. Я кратко рассказывал об этом в видео о том, почему у капсулы Crew Dragon плавники на сундуке, предположив там, что New Shepard тоже мог бы использовать оперение для устойчивости. Но всех устраивает.
Но почему же не традиционная башня?
Во-первых, New Shepard пытается летать дешевле и чаще, полностью повторно используемый. Капсула спускается на надёжных парашютах, а ракета-носитель впечатляюще приземляется.
Обычно же башня САС сбрасывается после того как становится бесполезной, чтобы убрать мёртвую массу. Хотя в суборбитальном корабле, который летает вверх-вниз, могли бы возить башню. Тем более что нет стыковочного узла с обратной стороны теплового щита, который нужно освободить.
Но можно предположить, что вы не захотите размещать свои парашюты вблизи башни, потому что есть опасность запутывания, а капсула с высоким центром масс неустойчива.
А в случае со сбросом башни успех всего полёта зависит от него. Лучше ли проектировать систему, которая зависит от сброса, или систему, в которой САС чего-то требует только в чрезвычайных обстоятельствах? Не хотят сбрасывать САС ещё и потому что она может упасть близко к наземным объектам и будет теряться в каждом полёте - увеличит стоимость.
Но, возможно, есть ещё большая причина того, что в Blue Origin избрали толкатель. Очень большая. Взгляните на тянущие системы. Заметили, что чего-то не хватает? - они почти всегда имеют отделяемый обтекатель, который закрывает корабль.
Двигатель САС безумно жесток и неплохо бы убедиться, что ваши окна не разобьются совсем. Да, у Mercury иллюминаторы и башня САС. Но и двигатели там очень высоко. И вообще, тогда многое делали по-другому, что теперь могут не одобрить.
Джон Гленн садится в Friendship 7 (Mercury-Atlas 6). Обратите внимание на не прикрытые иллюминаторы на боках корабля.
Закрыть самые большие в истории окна космического корабля было бы позором. Цель New Shepard - предоставить впечатления.
Капсулы Boeing Starliner и SpaceX Crew Dragon разработаны для экипажей МКС. Такси на МКС, хотя когда-нибудь могут найти частных клиентов. Занятно, что обе фирмы решили использовать САС без привычной башни и ЖРД вместо привычных РДТТ.
Можно подумать, как ЖРД может быть быстрым и надёжным, чтобы положиться на него в аварии? ЖРД ведь может потребоваться несколько секунд, чтобы насосы раскрутились и произошло воспламенение... не похоже на хороший выбор.
Но эти ЖРД подобны тем, что давно используются в системах реактивного управления, где обеспечено быстрое надёжное зажигание, безнасосный ЖРД с вытеснительной системой подачи топлива. Компоненты топлива хранят в баках с высоким давлением и клапанами подачи. Для простоты и надёжности используют самовоспламеняющиеся компоненты топлива, которые загораются при смешивании, нет нужды в источнике воспламенения - искре или пламени. Отличный выбор для реактивного управления.
Самовоспламеняющееся топливо устойчиво, надёжно, но невероятно ядовито.
Почему обе компании выбрали ЖРД для системы спасения? Несколько причин, которые, вероятно, связаны с высочайшими требованиями NASA к безопасности, которые известны как «спасение полного покрытия» или, проще, возможность возвращения людей на Землю в любой момент.
РДТТ САС могут это: Orion, например, предлагает башню САС первые две минуты полёта, потом она выбрасывается и верхняя ступень SLS (или AJ-10 служебного отсека корабля) обеспечивает аварийное возвращение. Откровенно говоря, каждая фирма могла использовать САС с башней и РДТТ. Замысел SpaceX предполагал башню над капсулой вроде Dragon V1 и её сброс, что можно увидеть в анимациях SpaceX до 2010 года.
4 минуты анимации 2009 года о корабле SpaceX на основе грузового Dragon с башней САС на обтекателе (COTS-D).
Можно предположить три причины использования встроенной САС с ЖРД:
1) Исключение сброса башни, как сценария возможного провала полёта. Встраивание САС в корабль упрощает последовательность событий для успеха полета.
2) ЖРД могут работать переменное время и с переменной тягой, в отличие от РДТТ, что даёт возможность точно держать траекторию - безопасно вернуться на орбиту или прервать полёт. ЖРД могут управлять разностью тяги: меняя величину тяги любого из четырёх двигателей Dragon Crew, что определенно помогает держать заострённый конец вверх, а огненный вниз.
Есть, конечно, крутой способ управления с помощью РДТТ - один двигатель и несколько клапанов с соплами по сторонам башни. Взгляните на испытание двигателя САС Orion. Чтобы рулить, надо менять расход газа через 8 сопел с помощью клапанов. Для нейтрального положения все открывают на равную величину, что не меняет направление. Они прикрепили устройство очень высоко на башне для наибольшего рычага, что тоже помогает обеспечить управление во время отстрела. Думаю, что это довольно круто! Но РДТТ не может быть выключен после пуска.
0:44 видео испытаний рулевого РДТТ САС для Orion.
2) Ещё причина против РДТТ - если их не сбрасывать, то ОНИ тоже посещают МКС... 32 раза за сутки корабль на орбите Земли испытывает экстремальные изменения температуры. Самовоспламеняльщики счастливы как моллюски, тусят в этих условиях, да и на станции, они уже есть. Термоциклирование РДТТ может привести к нечаянному взрыву, что нехорошо, если вспомнить о самом дорогом в мире механизме, да ещё с человеками на борту.
Вообще, встраивать САС пока кажется проблемой. Но и помимо разделения фирмы имеют разные причины для этого.
Boeing доработал ЖРД Aerojet Rocketdyne RS-88 Bantam для работы на топливе бортовой системы реактивного управления в отделяемом служебном отсеке Starliner, вместо прежнего спирта и жидкого кислорода. В том же отсеке солнечные батареи и радиаторы корабля.
Использование единой пары топлива для спасения и реактивного управления значит, что дополнительное топливо САС можно использовать и по-другому - оно даже может помочь разогнать МКС! Тепрь это могут делать только российский транспорт «Прогресс» и Cygnus, а прежде могли Space Shuttle и ATV. Возможность разогнать станцию, безусловно, преимущество, хотя нет никаких сведений, что Starliner когда-либо будет так делать.
Почти 2 минуты анимации о САС Boeing Starliner. Обратите внимание, что САС в цилиндрическом служебном отсеке, а не в капсуле.
Иронично, но капсула Dragon плюхаются в воду, потому её труднее повторно использовать. Crew Dragon после первого полёта пока будет использоваться только как грузовой корабль. А Starliner приземляется и может использоваться до 10 раз, но, вот те на, сбрасывает служебный отсек, и двигатели САС в нём, перед возвращением в атмосферу.
1:22 видео испытания посадки Starliner CST-100 сбросом с вертолёта. Капсула уже без служебного отсека.
Приземляющийся корабль сбрасывает аварийные двигатели, а приводняющийся корабль сохраняет. Занятно.
Очевидно, главная причина, по которой Crew Dragon от SpaceX использует в САС ЖРД SuperDraco: они хотели реактивное приземление. Встроив двигатели САС в капсулу, они будут использовать их многократно для быстрого повторного использования корабля. Да, правильно: намеревались сажать корабль как ракеты Falcon 9 - в столбах пламени! Эээх.
Dragon мог бы садиться хоть на Марсе! В проекте с Red Dragon так и предполагали, но замысел полностью отменён. SpaceX прекратил и разработку реактивного приземления капсулы Dragon, в основном, потому что в NASA не проявили интерес к ней, а для сертификации требовалось слишком много лишней работы.
Итак, мы поговорили о том, почему Boeing и SpaceX отказалась от башни и использовали встроенные ЖРД для САС, возникает вопрос... это хорошая идея?
У Boeing и SpaceX проблемы при испытании этих систем. В 2018 году во время испытаний отказал клапан Starliner, из двигателя просочилось самовоспламеняющееся топливо. У SpaceX энергичное происшествие: в 2019 году во время огневого испытания уже летавшей капсулы Crew Dragon DM-1, перед лётным испытанием САС, капсула и испытательный стенд разрушились от взрыва.
Полагаю, всё преодолеют. Топливо в этих системах такое же или очень похоже на то, что применяют почти на всех космических аппаратах. Спутники, чаще всего, используют самовоспламеняющееся топливо для манёвров, МКС и орбитер Space Shuttle тоже, и, наконец, Cargo Dragon более чем в дюжине полётов. Эти системы могут быть простыми и надёжными.
Почему же мы наблюдаем серьёзные происшествия на испытаниях?
Ответ отдела по связям с общественностью: «Вот потому-то мы их и испытываем», но настоящий ответ скорее такой: испытывать можно и то, что выходит за пределы обычного. Скажем, как циклическую систему - снова и снова, заправка несколько раз в день. В испытаниях часто есть, упускаемые обычно из виду, более жёсткие условия, чем в полёте. Да и испытывается система, работающая во время развития аварии.
Тот факт, что ошибки и проблемы пойманы на земле, - это хорошо, сделает корабль безопаснее.
САС с ЖРД полезна, потому что может использоваться многократно, при разных условиях, и может тем обеспечить простой профиль полёта при постоянной возможности безопасного его прекращения. Не говоря о том, что встроенную САС можно использовать для разгона МКС и даже приземления, хотя мы, вероятно, не такого увидим. Думаю, что фирмы научатся на ошибках, и почти не сомневаюсь, что всё будет решено до приёма людей на борт. Надеюсь, скорее раньше, чем позже.
Интересно, что мы отошли от одной распространённой формы прерывания запуска, благодаря внезапно появившимся трём компаниям XXI века, создавшим совершенно разные системы. Но каждая компания имеет особую причину этих решений, что мне нравится!
Так помог ли я ответить на вопрос, почему фирмы отказались от башен САС и почему используют для них ЖРД? Дайте мне знать, если у вас есть другие вопросы.
В связи с трендами в проектировании САС хочу снять видео о том, почему SpaceX не хочет использовать систему реактивного прерывания взлёта для Starship и хорошая ли это идея.