|
Как SpaceX будет заправлять космические корабли на орбите
|
|
|
|
В следующем году, по мнению НАСА, SpaceX будет готова соединить два космических корабля на орбите для масштабной демонстрации дозаправки - технического достижения, которое позволит достичь Луны. SpaceX заключила контракт с НАСА на поставку двух пилотируемых космических кораблей для первых двух высадок астронавтов на Луну в рамках программы агентства Artemis, целью которой является возвращение людей на поверхность Луны впервые с 1972 года. Первая из этих посадок в рамках миссии НАСА "Артемида III" в настоящее время запланирована на 2026 год, хотя многие считают это амбициозным графиком. В прошлом году НАСА заключило контракт с Blue Origin на разработку собственного лунного модуля Blue Moon, рассчитанного на людей, что предоставило менеджерам Artemis два варианта для последующих миссий. Конструкторы обоих спускаемых аппаратов были ориентированы на будущее. Они спроектировали Starship и Blue Moon для дозаправки в космосе. Это означает, что в конечном итоге они могут быть повторно использованы для нескольких миссий и, в конечном счете, смогут использовать топливо, получаемое из ресурсов на Луне или Марсе.
|
|
|
|
Амит Кшатрия, возглавляющий программу "От Луны до Марса" в исследовательском отделе НАСА, рассказал о планах SpaceX по этому поводу на встрече с комитетом Консультативного совета НАСА в пятницу. Он сказал, что программа испытаний Starship набирает обороты, и следующий испытательный полет с космодрома SpaceX Starbase в Южном Техасе ожидается к концу мая. "Проблема не в производстве", - сказал Кшатрия. "Они выпускают сердечники. Двигатели поступают на завод. Это не проблема. Проблема в том, что выполнение того, что они пытаются сделать, является серьезной проблемой для разработчиков... Мы должны вплотную заняться проблемой транспортировки топлива. Это правильная проблема, которую нужно попытаться решить. Мы пытаемся разработать план освоения дальнего космоса". Прежде чем отправиться на Луну, SpaceX и Blue Origin должны освоить технологии и приемы, необходимые для дозаправки в космосе. Прямо сейчас SpaceX планирует провести первую демонстрацию крупномасштабной передачи топлива между двумя космическими кораблями на орбите в следующем году.
|
|
|
До этого времени состоится еще как минимум несколько испытательных полетов Starship. Во время последнего испытательного полета Starship в марте SpaceX провела испытание по перекачке криогенного топлива между двумя баками внутри корабля. Эта передача жидкого кислорода из резервуара в резервуар была частью демонстрации, проведенной при финансовой поддержке НАСА. Представители агентства заявили, что эта демонстрация позволит инженерам больше узнать о том, как жидкость ведет себя в условиях низкой гравитации. Кшатрия сказал, что, хотя инженеры все еще анализируют результаты демонстрации криогенного переноса, испытание во время мартовского полета Starship "было успешным по всем показателям". "Этот важный этап остался позади", - сказал он в пятницу. Теперь SpaceX планирует провести больше испытательных полетов Starship. В следующем запуске мы попытаемся проверить еще несколько возможностей, которые SpaceX не продемонстрировала в мартовском испытательном полете.
|
|
|
|
Они будут включать в себя точную посадку сверхтяжелой ракеты-носителя Starship в Мексиканском заливе, что необходимо до того, как SpaceX попытается вернуть ракету-носитель на свою стартовую площадку в Техасе. Другой целью, вероятно, будет перезапуск единственного двигателя Raptor на Starship во время полета, чего SpaceX не смогла достичь во время мартовского полета из-за неожиданных скоростей крена транспортного средства во время его полета в космосе. Запуск двигателя на орбите, необходимый для управляемого входа Starship в атмосферу, является необходимым условием для будущих запусков на стабильную более высокую орбиту, где корабль может задерживаться на часы, дни или недели для развертывания спутников и попытки дозаправки.
|
|
|
|
В долгосрочной перспективе SpaceX хочет увеличить частоту запусков Starship до нескольких ежедневных полетов с нескольких стартовых площадок. Для достижения этой цели SpaceX планирует восстанавливать и быстро повторно использовать Starship и сверхтяжелые ускорители, опираясь на опыт частично многоразовой ракеты Falcon 9. Илон Маск, основатель и генеральный директор SpaceX, заинтересован в скорейшем повторном использовании кораблей и ускорителей. Ранее в этом месяце Маск выразил оптимизм в отношении того, что SpaceX сможет восстановить сверхтяжелую ракету-носитель в Техасе в конце этого года и вернуть Starship в Техас в следующем году. Повторное использование имеет основополагающее значение для долгосрочной цели Starship - поддержки поселения людей на Марсе. Однако SpaceX может продолжить демонстрацию орбитальной дозаправки, пока инженеры продолжают экспериментировать с разгонными блоками и посадкой кораблей.
|
|
|
|
Перед первой посадкой Starship на Луну с астронавтами контракт NASA на систему посадки человека (HLS) стоимостью 2,9 миллиарда долларов с компанией SpaceX включает испытания межкорабельного топлива и беспилотную посадку полномасштабного Starship на лунную поверхность. Но каждый испытательный полет Starship основывается на предыдущей миссии. Это означает, что практически каждый испытательный полет Starship в течение следующих нескольких лет будет иметь цели, которые будут связаны с первой посадкой Artemis на Луну. Во время предстоящих испытательных полетов Starship инженеры измерят расход топлива внутри корабля, а также давление в баках и понаблюдают, как жидкости реагируют на импульсы от небольших двигателей. В условиях микрогравитации эти небольшие реактивные двигатели обеспечивают "оседающую тягу", направляя жидкость корабля к источнику, необходимому для дозаправки.
|
|
|
|
Инженеры также будут следить за скоростью испарения метана и жидкого кислорода в космосе. Со временем криогенные жидкости переходят в газообразное состояние без изоляции или других мер по предотвращению испарения. Представители SpaceX и NASA хотят знать, сколько топлива будет потеряно в результате испарения, чтобы узнать, сколько заправщиков им потребуется для запуска космического корабля Starship для посадки на Луну. "Все это должно работать должным образом", - сказал Кшатрия. "Мы все еще находимся в стадии разработки, но на высоком уровне, я думаю, важно, чтобы люди знали, что эта последовательность действий выполняется, и они добиваются значительного прогресса в разработке". Для первой полномасштабной демонстрации дозаправки SpaceX должна запустить два космических корабля Starship с интервалом примерно в три-четыре недели. Сначала SpaceX запустит космический корабль Starship, который будет использоваться в качестве целевого транспортного средства на низкой околоземной орбите. Этот корабль будет оснащен усовершенствованной системой энергоснабжения и увеличенной емкостью аккумуляторных батарей, чтобы поддерживать себя в космосе достаточно долго для запуска chaser vehicle — космического корабля, который будет играть роль заправочного танкера.
|
|
|
|
Оба судна, участвующие в демонстрационной заправке, также будут иметь теплоизоляцию и вакуумную оболочку вокруг внутренних трубопроводов, чтобы предотвратить выкипание. "В противном случае демонстрация не состоится", - сказал Кшатрия. По словам Кшатрия, в настоящее время SpaceX планирует использовать одну стартовую площадку для обоих полетов. К тому времени, когда NASA и SpaceX будут готовы к посадке на Луну, несколько танкеров Starship взлетят по крайней мере с двух стартовых площадок, чтобы собрать топливо на складе для доставки на Луну. SpaceX планирует построить дополнительную стартовую площадку на базе Starbase в Техасе и, по крайней мере, две космодрома Starship на космическом побережье Флориды. Два космических корабля будут автономно соединяться друг с другом, пролетая на высоте пары сотен миль над планетой. В будущих миссиях Starship, нацеленных на полеты в дальний космос, например на Луну, этот маневр стыковки и процесс дозаправки будут повторяться несколько раз, чтобы дать кораблю достаточно топлива для отрыва от околоземной орбиты.
|
|
|
|
Компьютерные модели и данные о полетах многочисленных ракет показывают, что можно контролировать испарение криогенного топлива, давление в баках и оседание топлива в космосе. Но никто никогда не пытался перегрузить криогенное топливо с одного космического аппарата на другой на орбите. "На мой взгляд, все технические проблемы, связанные с криопереносом в космосе, решены", - сказал Джордж Соуэрс, бывший главный научный сотрудник конкурирующей компании SpaceX United Launch Alliance и давний сторонник размещения ракетного топлива в космосе. "Это просто вопрос демонстрации и точной настройки технологии и процедур. Итак, я думаю, что мы на пороге. Я рад видеть, что SpaceX предпринимает шаги, чтобы заставить это работать. Стыковка двух космических кораблей будет непростой задачей. Однако SpaceX может использовать свой опыт при отправке капсул Dragon на Международную космическую станцию, для чего требуется множество лазерных навигационных датчиков и механических устройств, необходимых для стыковки космических кораблей. Но есть одно предостережение. Когда "Звездолет" зайдет в док, его баки все еще будут заполнены топливом, и маневры корабля, направленные на сближение с другим кораблем, могут вызвать выплескивание жидкости из баков.
|
|
|
|
Это может привести к непредвиденным воздействиям, которые навигационная система корабля должна учитывать во время сближения. Как только два космических корабля соединятся, они соединятся с помощью тех же портов, которые SpaceX использует для загрузки топлива на стартовую площадку. Затем SpaceX настроит давление в баках и запустит двигатели для дозаправки топлива. "В этот момент они откроются, и топливо начнет поступать". Топливо будет поступать из одного транспортного средства в другое, используя перепад давления, или "дельту", между резервуаром-донором и резервуаром-получателем. Это более простое решение, чем использование насосов. "Основной механизм протекания связан с перепадом давления в пуповине", - сказал Кшатрий. По его словам, "мелкие детали" этой процедуры остаются в работе. Медленное выкипание криогенного топлива в топливозаправщике Starship должно повысить давление в резервуаре-доноре, что поможет транспортировать метан или жидкий кислород в транспортное средство-получатель. SpaceX также может регулировать давление, используя коллекторные баки, расположенные в верхней части каждого корабля. “Фокус в том, чтобы все это было сделано и вся передача осуществлена без выкипания всего топлива в процессе", - сказал Соуэрс.
|
|
|
|
Результаты этой демонстрации дозаправки позволят инженерам SpaceX и NASA рассчитать, сколько заправщиков им понадобится для заправки космического корабля, направляющегося к Луне. Текущая оценка SpaceX составляет примерно 10 запусков с дозаправкой для одной миссии Artemis landing, но с каждой стороны от этого числа есть столбики ошибок. В текущей версии Starship, полностью заправленный топливом, содержит примерно 1200 метрических тонн (2,6 миллиона фунтов) топлива. SpaceX разрабатывает более крупные версии Starship для доставки на орбиту более тяжелых грузов и большего количества топлива. Эти модернизированные космические корабли должны сократить количество танкеров, необходимых для загрузки космического корабля, направляющегося на Луну или Марс. "У нас, конечно, есть прогнозы, но мы будем знать, сколько топлива при этом высвобождается, сколько времени это займет, добьемся ли мы такого успеха, как показывает анализ?" - заявила в январе Лиза Уотсон-Морган, которая руководит программой высадки на Луну НАСА. "Нам придется проделать это несколько раз", - сказала она. "На мой взгляд, нам придется выполнять полеты с пересадкой на винте не один, не два и не три раза. Мы никогда не делали этого раньше”.
|
|
|
|
"Я желаю им всего наилучшего", - сказал Соуэрс, ныне профессор горной школы Колорадо. "Я не работаю в ULA уже почти семь лет. Когда-то SpaceX была моим конкурентом, и теперь я просто хочу, чтобы все преуспели. Особенно я хочу, чтобы вся топливозаправочная отрасль получила толчок, и я действительно рад, что и SpaceX, и Blue Origin идут по этому пути, как и ULA. Я думаю, что до всего мира наконец-то дошло, что лучший способ преодолеть ракетное уравнение - это дозаправка”. Кшатрия сказал, что инженеры SpaceX справляются с поставленной задачей. "Это феноменальная команда, и у них абсолютно правильный подход к тому, как строить-учиться, строить-учиться, строить-учиться и продолжать это делать. Так что я доволен этим. Я доволен прогрессом, достигнутым на предприятии. "Многие люди говорили, что было бы амбициозно попробовать это в данный конкретный период времени. И это действительно так".
|
|
|
|
Источник
|
