Club Aurora

Твоят прозорец към космоса.

Новата космическа надпревара
Мнозина днес си мислят, че златните години на космическа надпревара, белязали покоряването на космоса през ХХ век, са отишли безвъзвратно в историята. Ала това... Новата космическа надпревара

Мнозина днес си мислят, че златните години на космическа надпревара, белязали покоряването на космоса през ХХ век, са отишли безвъзвратно в историята. Ала това е вярно само на пръв поглед. Всъщност космическата надпревара е жива тук и сега. Само че тя вече има ново, корпоративно, а не национално лице. И ако преди битката беше за Луната, то днес тя е за това кой ще създаде първата в света ракета за многократно използване.

Целта


Историята ни учи, че винаги първата фаза от усвояването на нещо непознато е изследването му. Когато непознатото вече е изследвано, на преден план излиза следващият етап – комерсиалното му утилизиране. Ярък пример за това са Великите географски открития, които в съвремието ни се повтарят чрез усвояването на космоса. Не е трудно да открием образите на Колумб и Магелан в тези на Гагарин и Армстронг, но ако направим такава аналогия трябва да продължим нататък и да потърсим днешните испански галеони и конкистадорите, които са дошли след големите мореплаватели. И… Да! Има ги – това са частните космически компании. Днес те правят първите си крачки, съсредоточени са в рамките на една държава (САЩ), но тепърва ще стават все по-забележими и все по-важни за усвояването на космоса. Те също като едновремешните завоеватели не се интересуват от романтиката на изследването, а от финансовата облага, която биха могли да извлекат от него. Потенциалът за печалба е огромен, независимо дали говорим за космически туризъм, производство на енергия, добив на редки ресурси или в по-обозримо бъдеще – разгръщане на сателитните системи около Земята.

Само че пред космическите компании има една пречка, която трябва да преодолеят, за да се развият нататък. Все още цената за изстрелване на товар в космоса е фантастично висока и това спъва космическите бизнес начинания още в зародиш.За справка – изстрелването на 1 кg товар в ниска околоземна орбита струва от 4 000 до 40 000 щ.д. със стандартните ракети-носители.Тази скъпотия се дължи на факта, че самите ракети-носители са много ценни изделия, в чиято конструкция са вложени изключително висококачествени сплави и компоненти. Всъщност не по-висококачествени, отколкото тези използвани на самолетите например, но големият проблем е, че на ракетите, за разлика от самолетите, им се полага само един-единствен полет. И докато средната цена на една ракета-носител е съпоставима със средната цена на един съвременен пътнически самолет (около 100 млн. щ.д.), то ракетата с едничкия си полет е с несравнимо по-ниска икономическа ефективност от самолета, пред който има минимум 20-30 000 полета преди да бъде нарязан на скрап.

Така че е логичен стремежът да се създаде ракета-носител за многократно използване. Това е необходимата крачка, която трябва да направят космическите компании, за да спадне драстично цената на полет с ракета и да започне същинската бизнес игра. При това залогът е голям, защото който успее да създаде първи такава ракета, светкавично ще изпрати в историята конкуренцията си, разчитаща на еднократни ракети.

Претендентите


 musk_bezos

Към момента на публикуване на тази статия от всички космически компании (а те вече хич не са малко) две са най-близо до създаването на ракетата за многократно използване – SpaceX и Blue Origin. За SpaceX всеки е чувал и знае. Компанията, основана от Елън Мъск (или Илон Мъск, както е правилната транскрипция), вече влезе в историята като първата частна компания, изстреляла в орбита собствена космическа ракета – Falcon 9. Днес Falcon 9 вече извежда в орбита отговорни мисии на NASA, телекомуникационни сателити, както и космическия кораб „Дракон“, снабдяващ с провизии Международната космическа станция. Освен това Falcon 9 е и най-евтината космическа ракета – по-евтина дори от китайските Чан Чжън. Цената на един ракетен старт с нея излиза около 60 млн. щ.д. Тоест, при 13-те тона полезен товар, който ракетата максимално може да изведе в LEO орбита, това прави около 4 600 щ.д. на килограм. А тежкотоварната версия на Falcon 9 – Falcon Heavy, която се очаква да направи първи полет тази пролет, ще смъкне цената още повече – до 1 000 щ.д. на килограм полезен товар. Но дори това не е достатъчно за Мъск, който все по-често e спряган за следващия Хенри Форд. Амбициозната програма на компанията му за многократно използване на ракети Falcon, цели да постигне цена на ракетен старт от порядъка на едва 5 до 7 млн. щ.д [1].

flacon9_prep

Подготовка за полет на Falcon 9. Снимка: SpaceX

Чудесно. Само че докато SpaceX е в светлините на прожекторите, една друга космическа компания тихомълком набира инерция и както е тръгнало в идните години ще се превърне в основния конкурент на SpaceX. Става дума за не толкова известната Blue Origin, основана от шефа на Амазон – Джеф Безос. Компанията стартира формално още през далечната 2000 година, но дълги години имаше по-скоро маргинално съществуване, задавайки идеи и концепции, без реално да произвежда нещо. В последно време обаче Blue Origin излезе от света на идеите с гръм и трясък. Сякаш от нищото компанията сключи контракт с американския ракетен мастодонт United Launch Alliance (конгломерат на Lockheed Martin и Boeing), в който се предвижда да разработи нов, оригинален ракетен двигател за първата степен на ракетата Atlas V (сега тя използва руския РД-180). Паралелно с това Blue Origin започна работа по собствена ракета – New Shepard, задвижвана от друга версия на същия двигател. И само няколко месеца след като бе обявено, че новата ракета ще бъде предназначена за многократна употреба, последваха впечатляващи резултати.

new shepard_launch

New Shepard излита към (границата на) космоса. Снимка: Blue Origin.

Принципът


Идеята за многократно използване на космическите ракети със сигурност е стара поне колкото самите ракети. При това вече съществуват няколко способа за безопасното им завръщане след изстрелване, които доказано са проработили в исторически план. Ето кои са те:

  • Завръщане на ракетата с парашутна система

Много проста концепция – ракетната степен работи до планираната височина, при която се разкача от ракетата, и след това автоматично се разгръща парашут, така че да падне с безопасна скорост обратно на земята. Тази технология е стандартна при завръщането от космоса на всички пилотируеми космически кораби, използвани досега (Съюз, Восток, Аполо, Джемини, Шънджоу), на някои товарни космически кораби (Прогрес, Дракон), както и на двата твърдогоривни ракетни ускорителя, използвани при изстрелването на совалките.

soyuz_landing

Кацане на кораб Съюз ТМА-20 в казахстанската степ. Снимка: Роскосмос.

Парашутната система обаче има редица недостатъци, които възпират по-нататъшното й развитие при ракетите. Например:

– невъзможност за прецизно насочване на ракетата или капсулата при завръщането й;

– структурна нестабилност. Центърът на тежестта на изпразнените от гориво ракети е в долната им част, в близост до ракетния двигател, докато приложната точка на парашута е в горната част. Ако надлъжната ос на ракетата се отклони на някакъв ъгъл спрямо вектора на скоростта й, тя ще бъде изложена на значителен огъващ момент в горната си част, за който конструкцията й не е разчетена – тя ще се деформира и дори би могла да се разруши;

– сложност на системата. Въпреки нагледната простота на идеята, реалното й изпълнение усложнява значително ракетата, при което се увеличава и шансът да не сработи;

– увеличаване на теглото на ракетата. Трябва да се предвиди обтекател на парашута, здрави въжета и здрави парашути (практиката показва, че са необходими няколко, един не стига), заздравяване на конструкцията на ракетата… Все неща, които тежат.

  • Използване на технология за хоризонтално кацане

Или – излитаме нагоре като ракета и кацаме обратно като самолет. Също изпитана технология. Сещате се – совалките, Буран и в по-ново време секретният орбитален самолет X-37 и суборбиталният SpaceShipTwo. Чрез кацането се елиминира недостатъка на непрецизното насочване, но пък се разкриват редица други проблеми, които станаха ясни по време на продължителната експлоатация на совалките и в крайна сметка доведоха до прекратяването на совалковата програма:

– на първо място това е невъзможността да се използва тази технология в пълнотата й. Практически досега всички орбитални самолети използват за изстрелването си не собствена тяга, а тягата на обикновени ракети-ускорители, които най-често са за еднократна употреба. Изключение от правилото са ракетните самолети на Virgin Galactic – SpaceShipOne и SpaceShipTwo, но те са предназначени за суборбитални полети;

spaceshiptwo

SpaceShipTwo разчита единствено на собствената си тяга, за да стигне до 110 km височина, но преди това трябва да бъде изведен в стратосферата чрез самолета WhiteKnightTwo. Снимка: Virgin Galactic.

– освен това имаме и значителните разходи по ремонтните дейности между два полета. Изчисленията показват, че близо 30-те години на експлоатацията на американските совалките и 10-те години на разработката им, са коствали около 209 млрд. щ.д. [2]. Всеки совалков полет струваше около 1,5 млрд. щ.д., които до голяма степен се дължаха на задълбочените прегледи на совалковите двигатели след всеки полет, както и на индивидуалната инспекция на 35 000 различни керамични плочки от термичния щит на совалката;

– и като следствие от горното – увеличаване на риска от провал. Справка – Чалънджър и Колумбия.

Все пак да не бъдем прекалено черногледи – независимо от недостатъците тези методи имат своите поддръжници и със сигурност в бъдеще ще бъдат доусъвършенствани. Но SpaceX и Blue Origin разчитат на нещо качествено ново. Нещо, което никога не е било правено досега.

  • Използване на технология за вертикално кацане

Забравете за парашутите и аеродинамиката. Технологията за вертикално кацане опира на първо място до решаване на задачата за обърнатото махало от класическата механика. При обърнатото махало центърът му на тежестта се намира над опорната точка и задачата е то да се балансира в това състояние на неустойчиво равновесие. Във всеки момент махалото ще се стреми да се наклони, но със съразмерни противодействия е възможно то да запази равновесието си. Нещо подобно на това да балансирате молив върху пръста си – докато правите това вие несъзнателно решавате задачата на обърнатото махало.

inverted_pendulum_control

Пример за система за автоматичен контрол на положението на обърнато махало (изправен молив). Изображение: anasr.mech.iut.ac.ir

Всъщност да балансирате ракета във вертикално положение е далеч по-лесно от това да балансирате молив – заради масата си ракетата има много по-голяма инерция от молива и веднъж докарана във вертикално положение, се налагат не толкова чести корекции на положението й. При ракетите практическата реализация на този принцип се състои в следното. Имате компютър, който изчислява пространственото положение на ракетата и задава необходимите корекции към двигателя на ракетата, който е карданно захванат и може да се отклонява, така че векторът на тягата на ракетата парира наклона на надлъжната ос на ракетата. Или пък компютърът наклонява лопатки по конструкцията на ракетата, които управляват положението й по аеродинамичен път. Наклонът на надлъжната ос на ракетата спрямо вертикала е малък така че почти всичката тяга отива за забавяне на скоростта на ракетата (векторът й е почти противоположен на вектора на силата на теглото) и за безопасно спиране на наземна площадка. Това е всичко, което й е нужно на тази технология – компютър, отклоняем двигател или лопатки и остатък от гориво в ракетата (типично около 10 % от общото количество гориво).

Опитите


Ако сте следили досега темата за развитието на многократната ракетата на SpaceX, знаете прекрасно, че всяка една стъпка на компанията бе шумно отразявана из всички специализирани медии, така че процесът по създаването на тази технология бе проследен в големи подробности. Нещо, характерно за SpaceX – всички нейни постижения и неуспехи са широко и детайлно представяни, което явно е част от рекламната й стратегия.

Визията на SpaceX за многократна ракета е доста амбициозна. Дългосрочните цели са първата степен на Falcon 9 или Falcon Heavy да се завръща на стартовата площадка няколко минути след старта, а втората степен – до 24 часа след старта. Няколко часа след това, ракетата би трябвало да бъде готова за нов старт [3]. До този момент целта е далеч от това да бъде изпълнена. Но дори това, което имаме сега заслужава адмирации. А то е: вече доказана космическа ракета и работеща технология за връщане на първата й степен (с това важно уточнение, че успешно завърналата се обратно първа степен до този момент не е била пускана повторно).

Разработването на технологията на SpaceX отне няколко години, като първите тестове започнаха през 2012 г. Прототипът Grasshopper и наследникът му – по-тежкия и сложен прототип Falcon 9 Reusable Development Vehicle, тогава преминаха през няколко фази на изпитания, всяка от които бе с повишена трудност спрямо предходната. В долната таблица можете да проследите набързо този прогрес:table1Както виждате от таблицата не всички опити са цветя и рози. Последният тестов полет на SpaceX завършва с провал, който всъщност сложи край на тестовата фаза с прототипи. Или може би бе отчетено, че те са повече или по-малко ненужни. Защото много по-реална представа дават тестовете с истински ракети, извели товар в космоса. Ето затова след шестия полет на Falcon 9 всяка следваща ракета бе оборудвана със система за вертикално кацане на първата степен. Последваха множество опити за насочване на първата степен след всяко изстрелване и контролирани приводнявания в океана . Само от SpaceX си знаят колко успешни са били тези опити, но явно прогрес е имало, тъй като бе разработена специална автономна баржа, на която да каца ракетната степен. Схемата, по която трябва да стават тези кацания, е следната:

spacex_scheme

За първи път баржата бе използвана през януари 2015 г., което беляза началото на една година изпълнена с почти-успяхме опити за кацане, завършващи почти гарантирано със зрелищна експлозия върху баржата. Ето кратка хронология и на тях:

table2

drone_ship_spacex

Една от двете автономни баржи за кацане на SpaceX , наречени “Just read the instructions” и „Off course I still love you”. Снимка: SpaceX

Все пак сред тази не съвсем положителна хронология има място и за оптимизъм, тъй като най-сетне на 21 декември 2015 г. се случи отдавна очакваното и желаното от всеки – първата степен на Falcon 9 се приземи напълно успешно след полет върху стартова площадка в Кейп Канаверал. Видео от това историческо приземяване:
[youtube_sc url=“http://www.youtube.com/watch?v=ZCBE8ocOkAQ“ width=“640″ rel=“0″ fs=“0″]
На фона на тази многогодишна епопея на SpaceX, Blue Origin действа заблежимо по-експедитивно. Когато през април 2015 г. в Blue Origin приключиха с тестовете на новия си ракетен двигател ВЕ-3 и обявиха, че той ще бъде използван на новата суборбитална ракета на компанията – New Shepard, това някак мина незабелязано сред медийния поток. Първият полет на новата ракета се състоя на 29-ти април, когато New Shepard достигна височина от 93 km и капсулата на върха на ракетата, която ще се използва за пилотируеми полети, успешно се върна обратно на земята чрез парашути. Все пак успехът беше частичен за Blue Origin, тъй като се предвиждаше и самата ракетна степен да се приземи вертикално, което не стана поради повреда в хидравликата й.
В следващите няколко месеца всички погледи бяха насочени към SpaceX и титаничните опити на компанията да осъществи заветното вертикално кацане на ракета. И точно, когато се очакваше това събитие най-накрая да се случи, Blue Origin отмъкна приза под носа на SpaceX. На 23 ноември 2015 г. Blue Origin стана първата компания изстреляла ракета в космоса и приземила я невредима обратно на земята – точно 1 месец преди първия успех на SpaceX. Можем само да гадаем каква е била физиономията на Елън Мъск, когато е научил за това. Макар че тук има и немалка уловка – ракетата на SpaceX е орбитална (в състояние е да обиколи Земята в орбита), докато тази на Blue Origin e суборбитална (издига се и пада по параболична траектория, без да може да обиколи Земята). Разликата, образно казано, е като между мотоциклет и скутерче. Схематично тя изглежда така:

blue_spacex_1

Изображение: PopularMechanics.com

И така:

blue origin_spacex_2

Изображение: PopularMechanics.com

Но нека това не омаловажава успеха на Blue Origin. Орбитална или не, ракетата им е космическа, тъй като се издигна на 100,5 km над Земята, преминавайки установената граница на космоса от 100 km. Плюс това само два месеца след този полет New Shepard направи нещо много по-важно, ако питате мен. На 22-ри януари т.г. компанията отново изстреля същата ракета, която бе изстреляна на 23-ти ноември, тя отиде този път малко по-високо (101,7 km) и отново се приземи успешно. По този начин Blue Origin за първи път демонстрира повторно използване на една и съща ракета – нещо, което тепърва предстои на SpaceX. Ето видео и от това кацане:
[youtube_sc url=“http://www.youtube.com/watch?v=drsCkC2zU_s“ width=“640″ rel=“0″ fs=“0″]

Войната


Е, „война” е силна дума, но определено хладният тон между Мъск и Безос бие на очи. Показателни за това са  хапливите Twitter „поздравления” между двамата, с които ви оставяме да се позабавлявате за десерт.

Елън Мъск поздравява Безос след първото му успешно вертикално кацане:

И малко по-късно обяснява разликата между суборбитален и орбитален полет:

А накрая пък заявява, че това, което ракетата на Безос е направила, първата степен на Falcon 9 е направила година по-рано в океана (само че никой не е видял, Мъск):


А ето така Безос поздравява SpaceX за декемврийския им успех (забележете натъртването на „suborbital booster”):

Кой ще победи в битката за многократна ракета?

View Results

Зареждане ... Зареждане ...

 

Еmil Petkov

Емил е авиационен инженер, който се опитва да предаде тук своите знания и опит. Намира космоса за вълнуващо място и се интересува как чрез новите технологии ще се приближим до него.

  • Стоян Милев

    16.декември.2016 #1 Author

    Сериозен сайт ! Първият път когато отворих Вашия сайт, търсех потвърждение на една моя теза, че най-ниската локална температура в космоса е по-висока от тази на Абсолюта, прочетох материала за „абсолютната нула”и ми обърна внимание професионалната екзактност. Днес статия за корпоративните войни затвърди впечатлението ми. Затова ви пиша.
    Аз завърших, първия випуск по индустриален дизайн
    в България и съм първия и единствен засега носител на
    международна награда и премия за дизайн. Получих три предложения за работа в Париж, спечелих следдипломна квалификация в Сиракузкия у-тет в САЩ, но останах тук, за да спомагам за развитието на страната. Когато човек изхожда от себе се оказва,че не е в час, че е наивен. От всички срещи с министри и директори на заводи резултата бе „0”. Понеже дейността на мозъка ми непрекуснато е в направление „ноухау,” трупам в библиотеката си патентни идеи. Те отлежават, но за разлика от виното, това е пагубно за тях. Удовлетворен съм и получавам нови вдъхновения, когато разбера, че някоя от тях най-после някъде е реализирана от друг щастливец. Ще си призная, че констатирам дори подобрения. Това е логично след години и след като има развитие на технологиите. Както сам сте установил, за фундаментална наука пари „нема”, но за конкурентната приложна наука има. Войната между сокола(мотор 750 куб.) и гълъба( ел.скутерчето) ще бъде спечелена от този, който е успял да изведе ракетата от хоризонталното положение в орбитата и да я насочи вертикално. Съотношението 9:900 е отделно. Съвсем прав сте за ефекта „обратното махало”. Вижда се затруднението, което изпита гълъба и нарави рязка вертикална корекция. Трябва да се отбележи плюс на Сокола и за по-голямата скорост при кацането на площадката. Естествено баржата носи десетки неудобства, но аз мога да предложа, как те да бъдат избегнати с дизайнерски методи. Ако искате да направите реклама на Вашия сайт, привлечете Елън Мъск , да осъществим контакт в „ club Aurora”. Аз нямам сайт. Правилно се е насочил г-н Мъск към баржата. По-комфортно за туристите е кацането сред водите на Полинезия например.
    Поздрави и успех! Стоян Милев
    P.S. Знаете ли полу вица, полу истината, че се налага нов залп на крайцера?

    Отговор

    • Еmil Petkov

      17.декември.2016 #2 Author

      Благодарим Ви за коментара, Стояне, и за точните наблюдения, които споделихте с нас. Изобщо не съм изненадан от безплодния Ви опит с представителите на т.нар. българския „елит“, от който зависи в основна степен развитието на страната. Картинката у нас като цяло никъде не е розова, но „мениджмънтът“ ни е направо катастрофален. Чест и почитания все пак, че сте опитвали нещо!

      Що се отнася до недофинансирането на фундаменталната наука за сметка на приложната, такава е световната тенденция. Част от причината за това според мен (освен корпоративната алчност за бърза печалба) е, че днес фундаменталната наука е на такова високо ниво, че за по-нататъшното й развитие например в квантовата механика вече са необходими огромни финансови ресурси, които никой не е достатъчно мотивиран да инвестира.

      И да допълня по темата (все пак мина почти година от написването на тази статия). Годината започна добре за „Сокола“ с няколко успешни връщания на степени, но септемврийският взрив на ракетата на стартовата площадка послужи като кофа със студена вода за SpaceX. Предстои да видим как ще се отрази това върху бъдещото й. Що се отнася до Blue Origin – те също извършиха няколко успешни приземявания, но все суборбитални, т.е. не можем да говорим за кой знае какъв прогрес и при тях, но пък те се готвят догодина за пилотируеми полети. Ще видим!

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *