Илон Маск вернул на землю первую ступень «Falcon 9»

Утро 22 декабря 2015 года навсегда войдет в историю мировой космонавтики. Американская частная аэрокосмическая компания SpaceX Илона Маска, впервые в мире смогла вернуть на Землю и мягко посадить в заданном районе первую ступень ракеты-носителя Falcon 9 , которая вывела на орбиту 11 спутников компании Orbcomm.

Посадить космический аппарат на поверхность планеты или кометы – дело непростое, и я уже писал об этом, когда зонд «Филя» с автоматической межпланетной станции Rosetta неудачно приземлился («скозлил») на комету Чурюмова-Герасименко:

В чем причина неудачной посадки зонда на маленькое твердое ядро кометы?

Ведь вроде бы европейские космические инженеры на сегодняшний день опережают и нас и американцев в части беспилотной автоматической космонавтики? Почему же им не удалось обеспечить мягкую и точную посадку зонда на ровной местности?

Чтобы оценить ситуацию, придется обратиться за помощью к теории дифференциальных уравнений.

Великий математик академик Владимир Арнольд в одном из своих знаменитых математических эссе рассказал о разговоре с известным советским расчетчиком траекторий космических кораблей Лидовым. Тот с гневом обрушился на кабинетных математиков, которые не признают, что «теорема единственности, согласно которой интегральные траектории обыкновенных дифференциальных уравнений не пересекаются, - математическая фикция. Именно поэтому из-за описанного эффекта при каждом причаливании корабля к пристани в последний момент матрос бросает на пристань чалку, которую там быстро наматывают на кнехт (часто это делает, спрыгнув на пристань, тот же матрос), после чего заключительная часть причаливания происходит вручную»… (В.И. Арнольд. «Что такое математика»).

И кстати, по этой же причине, на бортах всех дебаркадеров висят автомобильные покрышки – чтобы смягчить удар при причаливании судна. Ведь интегральные траектории движения корабля (вариант – самолета, космического корабля) и дебаркадера (вариант – Луны, Земли, кометы, взлетно-посадочной полосы) не пересекаются, а значит абсолютно мягкой посадки невозможно обеспечить ни при каких обстоятельствах.

Фалкон 9

Об эту суровую математическую правду разбилась не так давно (в апреле этого года) первая возвращаемая ступень американского частного космического корабля «Falcon 9». Владелец ракеты Илон Маск решил доказать «урби эт орби», что ее можно использовать многократно, изготовил для посадки огромную бронированную баржу, закрепил ее на якорях на морской воде и хотел организовать на нее мягкую посадку огромной ракеты.

А получился большой взрыв. Правда, баржа уцелела.

Инженеры Илона Маска конечно же знали все про дебаркадеры, чалки и теорему единственности. И ракета приводнилась (или прибаржилась?) довольно мягко, как и планировалось. Однако в момент, когда ее вертикальная скорость упала до минимума, ракету просто сдуло ветром, так как она была пустой, без горючего и уже не являлась с точки зрения математики твердым телом. Перекисные двигатели вверху ракеты оказались маломощными и не смогли дать надлежащий импульс по оценке российского космического инженера Алексея Широнина (в личном разговоре со мной).

Первую ступень «Дракона» можно было посадить на морскую баржу только при ненулевой посадочной скорости и при наличии мощных двигателей прижатия, как на советском лунном корабле. Но авантюрист Маск, который в свое время пытался задешево купить наши носители, до этого пока не додумался.

Думаю, что такую же схему приземления на комету следовало применить и ЕКА. Учитывая, что масса кометы мизерная и скорость приземления была не выше одного метра в секунду, эту задачу можно было легко решить. Двигатели прижатия могли быть довольно маломощными. Ровно для того, чтобы зонд не скозлил при посадки. А он скозлил. Прямо под скалу».

После успешной мягкой посадки первой ступени ракеты-носителя я должен признать, что Илон Маск вовсе не авантюрист, а выдающийся организатор космического производства, у которого есть все шансы сравняться или даже превзойти как Вернера Брауна, так и Сергея Королева.

Что изменилось в ракете Маска?

Фалкон 9

Усилены раскладывающиеся опоры, которые не дают ракете упасть под давлением ветра после выключения двигателей.

Новая версия называется Falcon 9 FT (Full Thrust - полная тяга) или Falcon v1.2.

Модифицирована структура крепления двигателей (octaweb); изменён дизайн решетчатых рулей (они, кстати, изобретены в пятидесятые годы прошлого века С. Белоцерковским из ЦАГИ); композитная структура между ступенями стала длиннее и крепче; увеличена длина сопла двигателя второй ступени; добавлен центральный толкатель для повышения надёжности и точности расстыковки ступеней ракеты-носителя. Топливные баки верхней ступени увеличены на 10 %, за счёт чего общая длина ракеты-носителя увеличилась до 70 м. Стартовая масса выросла до 541 300 кг, за счёт увеличения вместимости топливных компонентов, что было достигнуто благодаря использованию переохлаждённого окислителя.

Отметим, что спускаемая первая ступень касается земли не с нулевой скоростью, а примерно со скоростью 6 метров в секунду (скорость спуска парашютиста – 5 метров в секунду). То есть все огрехи, приведшие к неудачной посадке зонда на поверхность кометы и падению самого «Фалькона 9» при попытке посадки на морскую баржу, учтены.

В одноразовом варианте Falcon 9 v 1. 2 может выводить полезную нагрузку около 21 тонн на низкую орбиту. Это делает его прямым конкурентом российской ракеты Протон-М. В следующем году на испытания выйдет тяжелая версия американской ракеты – Falcon Heavy, с грузоподъемностью до 53 т на низкую орбиту в одноразовом варианте. Если все пройдет успешно, ракеты семейства Falcon оставят всех своих конкурентов далеко позади. Это, если не учитывать экономические характеристики и надежность.

Причем надежность даже важнее чисто финансовых соображений, хотя Илон Маск и обещает, что сможет снизить стоимость вывода единицы полезной нагрузки на орбиту на порядок.

Вспомним, что 40 процентов могучего флота космических челноков – «Шаттлов» - было потеряно в результате катастроф и в конечном итоге этот проект был закрыт. Поэтому реальным конкурентом российским «Союзам» и «Протонам» «Фалькон 9» станет только после как минимум десятка-другого успешных взлетов и мягких посадок. Причем в случае тяжелой ракеты возвращаемыми планируется сделать все три ступени. Таким образом сложность каждого полета «туда и обратно» возрастает в три раза, что по теореме умножения вероятностей дает мультипликативное снижение надежности всего проекта. Что, впрочем, не должно успокаивать руководителей российской космонавтики, эксплуатирующих отработанные техпроцессы и носители пятидесятилетней давности.

Автор: Владимир Прохватилов, Президент Фонда реальной политики (Realpolitik), эксперт Академии военных наук

Добавляйте CСб в свои источники дзен