Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Kenapa Sukar untuk Tanah Roket pada Ekornya

Imej pendedahan lama SpaceX Falcon 9 menunjukkan pelancaran, kemasukan semula, dan pendaratan pendaratan. Photo courtesy of SpaceX

Pada hari Isnin, SpaceX Elon Musk mencatat sesuatu yang kebanyakan orang dalam industri roket itu hampir mustahil: Untuk pertama kalinya, tahap roket yang menyampaikan muatan ke orbit berbalik dan kembali ke Bumi, mendarat dengan selamat pada ekornya.

Mendapatkan roket dari tanah cukup sukar, tetapi sains difahami dengan baik dan fizik cukup asas. Walau bagaimanapun, sebaliknya, adalah mencabar. Mendaki kancing yang tinggi, kurus dengan selamat adalah masalah yang sama sekali berbeza.

Meninggalkan Bumi

Pertama, primer pada bahagian yang mudah. Untuk masuk ke orbit, roket mesti mengatasi graviti dan seret. Merancang roket untuk menjadi baik pada itu, malangnya, membuat pendaratan lagi keras.

Fizik roket asas adalah sama untuk roket NASA atau model roket yang dilancarkan oleh pemain berusia 9 tahun. Pusat jisim roket (titik di dalam roket di mana semua jisimnya diedarkan secara sama rata) harus dibarisi dengan pusat tujah dan vektor teras. Sekiranya tidak, roket itu akan pinwheel dan bukannya terbang lurus.

Pereka roket juga perlu memikirkan pusat angkat, iaitu titik di mana jumlah keseluruhan semua lif yang dihasilkan oleh bahagian - sayap, permukaan kawalan, dan bahagian badan pesawat aerodinamik - mengimbangi. Ia mudah difikirkan, sebenarnya, sebagai pusat seretan. Sebagai pelancaran roket, pusat seretan akan bergerak dengan cara untuk mengekalkannya di belakang pusat jisim. Roket yang terbang dalam konfigurasi itu akan stabil.

Tetapi sebagai roket membakar bahan api, pusat jisim akan beralih. Jika pusat jisim bergerak ke belakang di belakang pusat seret, roket yang stabil akan menjadi tidak stabil. Kenderaan angkat yang dilakukannya mungkin sangat dekat dengan konfigurasi yang tidak stabil ini, kerana semua propelan diusir dalam pelancaran.

Akan pulang ke rumah

Mendapat ke orbit cukup sukar. Tetapi pendaratan roket pada ekornya lebih sukar, kerana dengan tangki hampir kering, roket itu lebih tidak stabil daripada ketika ia dilancarkan. Pendaratan SpaceX pada 21 Disember bukanlah percubaan pertama syarikat ini: Mereka telah mencuba dan gagal dalam dua kali sebelumnya.

Kedua-dua percubaan sebelumnya untuk mendarat roket itu dibuat pada tongkang drone ke laut. Ini adalah percubaan pertama di tanah kering, yang mempunyai beberapa kelebihan. Tanah kering tidak berkeliaran, dan pad pendaratan yang baru dibina (LZ-1) di Cape jauh lebih besar. (Walaupun, untuk kredit SpaceX, mereka memaku hak pendaratan di tengah-tengah pad.)

Terdapat banyak mengenai Falcon 9 yang baru dinaik taraf yang menjadikan ia unik mampu mendarat selepas melancarkan. Kebanyakan roket memerlukan semua bahan api yang ada untuk mendapatkan muatan mereka ke orbit. Tetapi Falcon 9 dibina dengan kebolehbasaian semula, dan margin hampir 30% dalam bahan api, membolehkannya menyampaikan kapsul SpaceX Dragon, atau muatan lain seperti 11 satelit ORBCOMM yang diletakkan di orbit pada hari Isnin, dan masih mempunyai bahan api yang cukup untuk kembali peringkat pertama.

Bahan api tambahan diperlukan untuk meremukkan peringkat pertama. Selepas pemisahan dan pencucuhan peringkat kedua telah berlaku, dan sementara masih hypersonic, enjin peringkat pertama adalah relit, pengereman dan menghidupkan kembali panggung ke arah tapak pendaratan dalam pembakaran "reboundback". Kemudian ketika reentry dibakar lagi, kali ini hanya menggunakan tiga dari sembilan enjin teras utama. Akhirnya, lekapan "terminal" menggunakan enjin tunggal untuk melambatkan roket ke sentuhan lembut.

Tetapi ia bukan hanya bahan api tambahan yang diperlukan. Falcon 9 juga mempunyai sayap kecil yang boleh dilipat dan tahan panas yang dikenali sebagai sirip grid. Ini diperlukan untuk mengarahkan panggung kerana jatuh, ekor pertama, dari pinggir ruang melalui atmosfera. Sirip meletakkan seret di belakang vektor ke bawah roket, mengekalkan enjin menunjuk ke vektor penerbangan, di mana hanya beberapa minit sebelum, setiap undang-undang fizik membuat roket terbang dalam konfigurasi bertentangan yang tepat.

Peringkat pertama juga mempunyai tujah gas dingin yang terletak di bahagian atas roket yang digunakan untuk mengetepikan roket di sekitar supaya enjin utama dapat dihidupkan dan melakukan pembakaran semula. Akhirnya pentas dilengkapi dengan kaki pendaratan yang digunakan ketika ia menyentuh ke bawah.

Infographic menunjukkan fasa dalam pelancaran dan pendaratan Falcon SpaceX 9. Kesan gambar SpaceX

Semua sistem ini (dan perlu) sepenuhnya automatik - bertindak balas dan menyesuaikan tingkah laku mereka berdasarkan data masa nyata dari sensor onboard. Perkara-perkara yang berlaku terlalu cepat, dan roket terlalu berkuasa, bagi manusia untuk mengendalikannya. Ini kerja yang paling kiri untuk komputer.

Sebab roket yang sukar dikawal dalam konfigurasi pendaratan mempunyai banyak kaitan dengan pusat-pusat jisim dan seretan yang kita bincangkan sebelumnya. The Falcon 9 perlu tinggi dan nipis supaya ia dapat menjadi kenderaan pelancaran yang cekap, tetapi konfigurasi yang tepat menjadikannya binatang untuk dikawal ketika ia turun kembali.

Sedangkan tujah gas sejuk digunakan untuk memutar roket sebelum pemulihan mundur, Falcon 9 menggunakan enjin utama gimbal untuk memberikan tujah pemecah dan (hampir semua) teras putaran (angular) yang diperlukan untuk mengarahkan dan mendarat kembali panggung di atas tanah. Dalam erti kata lain, semua tork untuk menghidupkan roket diterapkan pada satu hujung roket, tanpa sebarang teras keseimbangan di hujung yang lain. Cubalah mengimbangi penyapu sapu pada hujung jari anda, sebelah kepala, untuk melihat betapa sukarnya masalah ini.

Ia mungkin, tetapi kerana anda menyediakan kekuatan pada satu hala, ia sangat tidak stabil dan pembetulan perlu dilakukan secara berterusan. Dan kerana enjin roket yang menyediakan pembetulan ini (untuk mengekalkan tahap tegak dan stabil) juga digunakan untuk merobohkan peringkat pertama yang jatuh ke arah pendaratan, dan juga menyediakan vectoring mendatar, berbuat demikian adalah masalah pengiraan masa sebenar yang sukar.

Jika petua roket terlalu jauh dan pusat jisim bergerak melampaui tepi ekor roket, kecuali ia segera ditolak ke arah yang bertentangan, peringkat roket akan menjadi tidak dapat dipulihkan. Roket setinggan yang lebih pendek akan lebih mudah dikawal untuk pendaratan, tetapi lebih sukar untuk masuk ke orbit di tempat pertama disebabkan oleh seretan aerodinamik, apatah lagi kurang stabil pada pendakian.

Secara ringkas, pendaratan ekor SpaceX adalah kejayaan bukan hanya dari reka bentuk roket, tetapi perisian.Ia tidak mudah untuk mengimbangi tongkat bergerak yang tidak stabil pada ekornya sepanjang ke arah pendaratan yang selamat di lokasi yang sangat spesifik.

Tetapi ia bukan yang pertama

Ini bukan kali pertama roket mendarat secara menegak. Selepas pendaratan pertama berjaya Blue Vehicle suborbital New Shepard di West Texas menjelang akhir bulan lalu, pengasas Blue Orbital, Jeff Bezos telah mengambil Twitter, menyiarkan rakaman pelancaran dan pendaratan kenderaan itu.

Yang paling jarang binatang - roket yang digunakan. Pendaratan terkawal tidak mudah, tetapi dilakukan dengan betul, boleh kelihatan mudah. Semak video: https://t.co/9OypFoxZk3

- Jeff Bezos (@JeffBezos) 24 November 2015

Tidak diketahui apa-apa tentang apa-apa sebutan mengenai kegagalan SpaceX untuk mendarat Falcon 9 - lima ketinggian ujian air laut, dan dua pendaratan uji gagal di kapal pengebom. Walau bagaimanapun, ini membawa kepada beberapa perkataan yang sangat menyedihkan antara dua jutawan.

Tahniah kepada Jeff Bezos dan pasukan BO untuk mencapai VTOL pada penggalak mereka

- Elon Musk (@elonmusk) 24 November 2015

Walau bagaimanapun, penting untuk membersihkan perbezaan antara "ruang" dan "orbit", seperti yang dijelaskan dengan baik oleh https://t.co/7PD42m37fZ

- Elon Musk (@elonmusk) 24 November 2015

Aduh. Walau bagaimanapun ia benar-benar adalah "flip" dan pemulihan semula dibunuh oleh Musk's Falcon 9 yang menjadikan pendaratan pencapaian yang unik. Mendapatkan ke angkasa memerlukan kelajuan sekitar Mach 3, tetapi ke orbit memerlukan kelajuan sekitar Mach 30, di mana tenaga yang diperlukan adalah berkadaran dengan segi empat segi kelajuan (E α v²). Apa yang SpaceX dicapai dengan Falcon 9 adalah banyak penipuan: pemecahan dari kelajuan orbital untuk mengembalikan pentas ke tanah dengan roket utuh tidak pernah dilakukan sebelum ini.

Musk terus menunjukkan bahawa SpaceX telah terbang penerbangan ujian sub-orbit dengan kod Falcon 9-R mereka yang bernama "Grasshopper" - sejak 2013.

Jeff mungkin tidak menyedari SpaceX suborbital VTOL penerbangan bermula 2013. Pendaratan air orbit 2014. Pendaratan tanah orbit akan datang. https://t.co/S6WMRnEFY5

- Elon Musk (@elonmusk) 24 November 2015

Bagaimanapun selepas pendaratan Falcon 9 berjaya pada hari Isnin, Bezos tidak dapat membantu mengambil penggalian terakhir di Musk.

Congrats @SpaceX atas pendaratan suborbital Falcon's peringkat. Selamat datang ke kelab!

- Jeff Bezos (@JeffBezos) 22 Disember 2015

Saya tidak tahu betapa seriusnya Bezos dan Musk mengambil perkara, tetapi secara peribadi saya rasa jutawan yang berbual-bual dalam perlumbaan angkasa adalah apa yang kita perlukan. Ia sememangnya jauh lebih menyeronokkan daripada perlumbaan ruang terakhir, di mana dua kuasa nuklear berhadapan dengan banyak ICBMs.

Pelayaran Akhirnya

Peringkat pertama Falcon 9 yang dipulangkan kini masih berada di landasan pendaratan menunggu pengangkutan ke kemudahan pemprosesan.

Walaupun pada masa akan datang, Falcon 9 kembali tahap pertama akan diisi semula dan ditolak - mengurangkan kos operasi SpaceX, hanya 3% daripada kos pembinaan dan melancarkannya dalam bahan api yang dibelanjakan - ia telah mengesahkan bahawa Falcon 9 ini sekurang-kurangnya memenangi ' t reflown.

Berikutan pelancaran CRS-7 yang tidak berjaya, SpaceX's Dragon dijangka kembali ke penerbangan pada bulan Februari dengan CRS-8. Debutnya SpaceX Falcon Heavy, yang melibatkan tarian balet tiga teras peringkat pertama Falcon 9 yang kembali ke Cape, dijadualkan pada pertengahan tahun ini.

Kongsi

Meninggalkan Komen