Посадка Falcon-9: взгляд специалиста

Материал подготовлен популяризатором науки и космоса, известным блогером Виталием Егоровым.

Павел Пушкин — в прошлом заместитель руководителя проектно-исследовательского центра ФГУП «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева», сейчас — генеральный директор ООО «КосмоКурс», частного российского стартапа, который поставил цель создание туристической ракеты и капсулы для конкуренции за рынок космического туризма с Virgin Galactic и Blue Origin. Павел Пушкин более 10 лет занимается разработкой ракет, принимал участие в создании ракеты «Ангара», а сейчас возглавляет работы по созданию собственной суборбитальной ракеты и космического корабля.


Следует начать с того, что ничего неожиданного и удивительного в реактивной посадке первой ступени Falcon-9 нет. Это всё давно просчитывалось, в том числе и у нас в стране. По теме «Подъём» прорабатывалась идея создания многоразовых ракет с реактивной посадкой ракетных блоков, а в КБ «Салют» предложили революционную на тот момент идею не только реактивной посадки, но и формирование обратной петли с возвращением ракетного блока к месту старта. Так что такие проработки велись давно и у нас в стране и в США. При этом в США было разработано и испытано много полётных демонстраторов, где самым замечательным был «Дельта-Клиппер», который в воздухе выделывал практически фигуры высшего пилотажа с последующей точной реактивной посадкой. В принципе специалистам, реально занимающимися вопросами многоразовости, давно известны возможности реактивной схемы посадки и те потери массы полезного груза, к которым ведёт применение такой схемы многоразовости. Единственное, что было не известно, так это стоимость регламентно-восстановительных работ для осуществления повторных запусков с заданной надёжностью. При этом в США были ещё проблемы с тем, что, стартуя с восточного побережья, трасса пролегала над водами океана, куда сесть теоретически сложно. Но как мы видим SpaceX пошли на риски и стали пытаться посадить первую ступень на баржу, что технически сложнее посадки на сушу. Самое интересное, что при старте с космодрома «Восточный» у нас таких проблем не будет при любом азимуте пуска — везде одна суша. Если говорить про успешную посадку первой ступени Falcon-9, то тут SpaceX пошли на дополнительные затраты топлива, для возврата ступени к месту старта.

Так о чём нам говорит видео посадки первой ступени Falcon-9? Очевидно, что посадка была успешной и достаточно точной. Далее всех интересует в каком состоянии ступень приземлилась и можно ли её повторно использовать. Посмотрим фото сразу после посадки:

На фото видно, что ступень стоит ровно, потери устойчивости или искривлений оболочки баков не произошло. На первый взгляд всё очень красиво и цело, похоже на обслуживание самолёта между посадками. Правда ступень немного закоптилась. Тут следует пояснить одну интересную вещь. Эта копоть не от того, что ступень, падая, горела в атмосфере, а от того, что были включены двигатели для торможения при входе в атмосферу. Это торможение делается для того, чтобы снизить тепловые потоки, приходящие на ступень (скорее всего, именно на стенки баков). Тепловые потоки зависят от скорости полёта примерно пропорционально скорости в кубе. Поэтому торможение на 30% даёт снижение тепловых потоков примерно в три раза. По расчётам примерно такое торможение было при спуске многоразовой ступени Falcon-9. Именно при этом торможении сажа от работающих двигателей закоптила всё вокруг.

Дальше настало утро, и со ступенью начали работать. Самое главное — положить её на транспортный агрегат и отвезти в ангар для дальнейших работ. Тут было интересно, что SpaceX будут делать с посадочными опорами. А они, видимо, приподняли ступень краном и просто отсоединили опоры. Правда, это совсем не просто, так как верхний узел связи находится достаточно высоко и для его расфиксации требуется проведение высотных работ с помощью крана. Также требуется отсоединить все коммуникации, поставить заглушки. Потом подвесить опору краном и уложить её на транспортёр или на временное место обслуживания. Для того, чтобы при этом ступень не висела в воздухе, её в самом начале приподняли и переставили на технологическую конструкцию. В теории снятие опор при реальных многоразовых пусках может не происходить — и даже желательно этого не делать, необходимо их просто сложить. Но учитывая, что приземлившаяся ступень тестовая и, скорее всего, больше никуда не полетит, то снятие опор является оправданным шагом.

На этой фотографии мы видим ступень, уложенную на транспортный агрегат без посадочных опор. В таком виде её завозили в ангар для дальнейших работ.

В ангаре мы видим, что со ступени сняли технологические люки для осмотра двигателей и коммуникаций в хвостовом отсеке. Бросается в глаза линия раздела баков с закопчённым нижним баком, потом конструкция почти белая, а потом опять сверху копоть. Просто на нижней части бака окислителя был иней. Его, скорее всего, тоже закоптило сажей, но он впоследствии растаял и сажа стекла вниз, или иней просто отвалился.

Видно, что сажа на двигателе осела достаточно плотно и смывать её будет достаточно сложно. В принципе специалисты по двигателям на данный момент не могут дать вразумительный ответ по поводу сажи. При проведении многократных испытаний на одном двигателе его от сажи зачастую не чистят. Но при его поставке на ракету и для визуального осмотра всё чистят до блеска в обязательном порядке. В итоге посмотрим, что будет делать с сажей на двигателях SpaceX. Панели донного экрана съёмные и могут очищаться автономно. Как SpaceX будет производить чистку хвостового отсека, не очень понятно, возможно, потребуется снятие двигателей. При этом требуется достаточно серьёзно относиться к вопросам очистки торцевой поверхности хвостового отсека. В полёте пламя двигателя очень хорошо излучает энергию, и степень черноты поверхности может иметь решающее значение для не прогара конструкции. Если посмотреть на хвостовые отсеки блоков РН «Союз», то можно увидеть блестящие поверхности с торца и даже сбоку. Это полированные листы титана на торце центрального блока и хромированные стальные листы в остальных местах. Листы устанавливаются на асбестовую подложку.

Далее мы видим состояние цилиндрической поверхности первой ступени. Видно, что покрытие ступени достаточно серьёзно пострадало от воздействия температуры, а может быть и сажи. При нагреве применяемая на Falcon-9 эмаль начала отходить от основания, частью отлетела и пошла пузырями. Кстати, покрытие тут выступает в качестве индикатора. Видно, что был незначительный нагрев, не приведший к изменению цвета эмали на металлических конструкциях. Зато резко бросается в глаза состояние на композитном межступенчатом переходнике. В принципе, в основном на нём эмаль и стала отходить. Это связано с тем, что коэффициент теплопроводности композита хуже, чем у металлов, что в свою очередь приводит к перегреву эмали. Такую эмаль необходимо восстанавливать. Возможен как мелкий ремонт, так и полная перекраска. Люди с наиболее острым зрением могут увидеть или не увидеть изменение цвета эмали в коричневатый оттенок на межступенчатом переходнике, что дополнительно может свидетельствовать о перегреве эмали. В проблему восстановления эмали можно решить радикальным путём — просто не красить ступень, что успешно применяли на РН «Протон». Правда необходимы покрытия, которые надёжно защитят конструкцию от коррозии и эрозии на длительное время в условиях постоянной эксплуатации.

В итоге SpaceX вплотную приблизились к ответу на вопрос, какие нас ждут проблемы при многоразовом использовании ракетных блоков первых ступеней ракет. На первый взгляд ступень для многоразового использования пригодна. Проблема с сажей будет решаться либо конструктивно-технологическими мерами по упрощению очистки, либо кардинально — заменой керосина на метан. Дальше следует ответить на вопрос о годности двигателей для многоразового полёта. По опыту выбранная схема двигателей позволяет обеспечить большой ресурс конструкции без падения надёжности. По словам Илона Маска они уже отрабатывали двигатель на четырёхкратный ресурс для десятикратного применения, теоретически этого достаточно. Опять же, в качестве серьёзной проблемы может возникнуть сажа в двигателе. Но раз SpaceX испытывали двигатель на более чем 40 полётных циклов, то наверно они знают, что это не проблема, либо что-то утаивают. Правда, испытания зачастую отличаются от реального полёта, и могут «вылезти» неизвестные проблемы в двигателях. Ресурс конструкции ступени достаточно тривиально обеспечивается конструктивными решениями; скорее всего, специалисты SpaceX эти решения знают и, наверно, в многоразовой версии их применят или уже применяют. Многоразовость агрегатов и приборов обеспечивается методами их автоматической диагностики и заменой в случае отказа. Так что будем ждать огневых испытаний и дальнейших посадок.

Не успел я закончить обзор, как появилась новая фотография многоразовой ступени Falcon-9. По имеющейся информации ступень сфотографирована при транспортировке на стартовую площадку SLC-40 для проведения прожига, который состоится 14 января. Видно, что в SpaceX не стали очищать ступень от сажи. Есть мнение, что таким образом SpaceX показывают: это именно та приземлившаяся ступень без замены элементов. Это достаточно логичное объяснение. Но если присмотреться, то можно увидеть, что ступень немного помыли и сажа блестит на солнце. Также есть вероятность, что пытались очистить двигатели. Видно, что один из двигателей изнутри немного белее остальных. Это может служить свидетельством того, что его хотели очистить от сажи, может быть для пробы. В итоге непонятно, почему ступень в саже: специально, решили сэкономить, чистить не надо в принципе или попробовали и не получилось. Каждый, думаю, выберет для себя наиболее подходящую версию. А нас ждут испытания ступени на стенде, где вскоре появится новый объём информации для размышлений.

В завершении следует отметить, что, не имея своего опыта и своей возвращаемой первой ступени или её аналога, мы можем только наблюдать, как обстоят дела с многоразовостью у SpaceX и Blue Origin по фотографиям и видео.