Почему полёт Starship SN8 закончился взрывом при посадке? Испытательный полёт Starship SN8 состоялся 9 декабря 2020 года в 22:45 на космодроме в Бока-Чика на юге Техаса (Видео запуска с правильного. Планировалось, что в ходе испытания образец корабля совершит свой необычный полёт на высоту ~12,5 км и вернётся на космодром. Большинство задач полёта действительно были выполнены.
Каковы были задачи испытательного полёта?Можно выделить следующие основные задачи, не выполнявшиеся ранее:
Полёт на трёх двигателях Raptor
Остановка двигателей в полёте
Зависание на высоте 12 км
Переворот в горизонтальное положение и контролируемое падение
Переключение двигателей на питание топливом от «посадочных» баков
Запуск двигателей в падении и переворот в вертикальное положение
Посадка (однако, уже выполнялась ранее)
Полёт на трёх двигателях Raptor 
Увеличение количества двигателей до трёх кажется простой задачей, но это не так. В полёте от двигателя на конструкцию действуют усилия и вибрации. Чем больше двигателей, тем больше и того и другого. На SN6 на днище кислородного бака, где установлены двигатели, действовала сила около 150 тонн-сил. В ходе полёта SN8 это уже были 500 тонн-сил. Примерно столько весит полностью заправленная ракета Falcon 9. Также существует возможность совпадения случайных вибраций от двигателей, что может дать нагрузку на конструкцию корабля, близкую к предельной.
Помимо вибраций, газовая струя от двигателя создаёт мощные акустические колебания. Достаточно открыть стрим любого ночного запуска Falcon 9 и убедиться, как эти волны сильны в первые секунды подъёма ракеты – водяной пар вокруг ракеты начинает буквально пульсировать . Примерно 0,5% мощности ракетного двигателя преобразуется в звуковые колебания. Так, во время полёта SN8 мощность звуковых колебаний от 3 двигателей Raptor была около 100 МВт, что сопоставимо с звуковой мощностью всех девяти двигателей Merlin 1D, составляющей около 116 МВт. Большая часть этой энергии разлеталась в разные стороны, но часть воздействовала на корабль, рискуя вызвать дополнительные вибрации и отказы ещё неотлаженного оборудования. Успешный полёт SN8 доказал, что Starship может летать с 3 двигателями, не разваливаясь на части.
Остановка двигателей в полёте Аналогично предыдущей, эта задача также представляет сложность. На корабле установлены 3 двигателя, ни один из которых не установлен по центру. Останавливая хотя бы один из них, суммарное направление вектора тяги двух оставшихся перестанет совпадать с осью корабля, из-за чего тот станет лететь, завалившись на бок. Можете открыть стрим полёта SN6, где это показано наглядно (). Одно дело, когда у корабля от старта и до посадки запущены не все двигатели, и совсем другое, когда двигатели запускаются/останавливаются прямо во время полёта. Оставшиеся работать двигатели могут не успеть отклониться в новое положение, корабль потеряет устойчивость и перевернётся. SN8 дважды успешно прошёл это испытание – из 3 двигателей остановили сначала один, а потом ещё один. Корабль при этом продолжал свой уверенный полёт.
Зависание на высоте 12 км В ходе полёта SN6 мы уже видели что-то подобное, но здесь зависание было необходимо для создания начальных условий для решения следующей задачи – контролируемого падения. Вероятно, в SpaceX считали, что начинать падение необходимо сначала «остановившись». Это имеет смысл, так как продолжая двигаться вверх, корабль мог перевернуться не той стороной, или даже начать вращаться, что привело бы к провалу оставшейся программы полёта. Как бы там ни было, Raptor SN42 отработал на отлично. Кстати, этот полёт – одно из самых долгих известных мне испытаний двигателя Raptor. SN42, остановленный последним, непрерывно работал в течение 4 минут 40 секунд (280 секунд), что очень даже неплохо.
Переворот в горизонтальное положение и контролируемое падение Из состояния зависания корабль повернулся наветренной стороной к Земле (по направлению дальнейшего полёта) и начал падать. Переворачиваться ему активно помогали маленькие азотные двигатели RSC верхней части корабля, что также видно на кадрах со стрима (youtube.com/v/ap-BkkrRg-o?t=6774). Слаженная работа «крыльев» сделала переворот и дальнейший полёт контролируемыми. Аэродинамические поверхности, чем-то напоминающие самолётные закрылки, отклоняясь на определённый угол, то увеличивают, то уменьшают аэродинамическое сопротивление соответствующей стороны корабля, что позволяет задавать ориентацию в пространстве и контролировать падение. При учёте дальнейшего точного попадания в место посадки, можно говорить, что корабль достаточно эффективно боролся с ветром и прибыл в заданную точку пространства, где впоследствии были запущены двигатели.
Переключение двигателей на питание топливом от «посадочных» баков Для питания двигателей Raptor на SN8, впрочем, как и на всех будущих образцах корабля Starship, будут использоваться баки с основным запасом окислителя (кислорода) и горючего (метана), а также баки с дополнительным запасом тех же окислителя и горючего. Дополнительное, отдельное расположение части запаса компонентов топлива необходимо для сохранения его температуры, пока корабль будет находиться на орбите, чтобы потом обеспечить посадку корабля. Дополнительный бак окислителя находится в носовой части корабля, выступая заодно в качестве противовеса двигателям, а бак с метаном в нижней части – между основными баками окислителя и горючего. При взлёте питание двигателей обеспечивают основные баки, но для приземления необходимо переключиться на компоненты топлива из дополнительных. Судя по факту запуска двух двигателей Raptor, переключение источника питания топливом произошло успешно. Третий двигатель запускать не планировалось.
Запуск двигателей в падении и переворот в вертикальное положение 
При повторном запуске двигатели Raptor вынуждены были запускаться, располагаясь под необычным углом (не вертикально и не горизонтально) и испытывая повышенную перегрузку. Насколько известно, у SpaceX есть испытательные стенды для двигателей Raptor, где двигатели устанавливаются в строго вертикальное или строго горизонтальное положение, и испытывают обычную для нас перегрузку 1 ед (9,8 м/с^2). Однако в момент повторного запуска корабль и двигатели были повёрнуты к вертикальной оси под значительным углом, практически под прямым. Испытание доказало, что Raptor можно успешно запустить в таких необычных условиях.
Ещё перед поочерёдным запуском двух двигателей, те отклонились в крайнее положение, чтобы с первой секунды создавать тягу в нужном направлении (). Raptor SN42, который не планировалось запускать, предварительно отклонился в другую сторону, чтобы не мешать двум другим двигателям. Активную помощь двигателям оказывали «крылья» корабля – нижние «крылья» были полностью сложены, а верхние переведены в нейтральное положение, чтобы помочь перевороту и в дальнейшем работать как стабилизатор. Корабль начал переворачиваться. Не дожидаясь завершения переворота, двигатели оперативно отклонились в противоположное положение, чтобы погасить вращение корабля и вовремя его остановить. За несколько секунд SN8 успешно завершил переворот и занял близкое к вертикальному положение.
Посадка Через несколько секунд после переворота Starship SN8 стало понятно - что-то пошло не так и успешную посадку мы не увидим. Еще при нацеливании корабля на посадочную площадку газовая струя одного из двигателей окрасилась в зелёный цвет, а второй и вовсе был остановлен. Через несколько секунд корабль рухнул на посадочную площадку, взорвался и был таков. Успешная посадка так и не состоялась, но по известному месту удара о бетон и понимании некоторой неуправляемости корабля в последние секунды можно судить, что приземление должно было быть точным.
Что же случилось при посадке?
Через некоторое время после полёта Starship SN8 Илон написал в твиттер (), что давление в дополнительном («посадочном») баке горючего было слишком низким для нормальной работы двигателей Raptor. Похоже, так оно и было, ведь сказанное и увиденное неплохо сочетаются друг с другом.
Итак, давление метана на входах в двигатели упало. Из-за этого практически сразу был (видимо, автоматически) остановлен один из двух запущенных двигателей. Второй продолжил работу, но так как кислорода стало поступать сравнительно больше, чем метана, то режим работы и охлаждения двигателя нарушился – он стал буквально сгорать изнутри. Зелёный цвет газовой струи, вероятно, был вызван горением медных оболочек, помогающих двигателю охлаждаться. Любопытно, что Raptor боролся до самого конца, испытывая очевидный недостаток входного давления одного из компонентов топлива.
Почему давление в метановом баке упало до недопустимого?
На любой ракете есть система наддува топливных баков, которая должна обеспечивать закачку газа, часто подогретого, в верхнюю часть баков. Газ давит на компонент топлива и, тем самым, создаёт необходимое давление на входе в двигатель. Насколько известно, для двигателя Raptor необходимо входное давление жидкого кислорода 6 бар (0,6 МПа или около 6 атмосферных давлений). Минимально допустимое входное давление жидкого метана, скорее всего, должно быть меньше этого – в районе 3,5…5 бар. Если учесть, что двигатели при посадке, скорее всего, дросселировали (снижали тягу) до 50…60% от номинальной тяги, то можно предположить, что минимально допустимое входное давление метана на дроссельном режиме должно быть ещё ниже – около 2,5…3 бар. Но даже такого сравнительно низкого давления там не нашлось. Топливные баки Starship, напомню, могут выдерживать давление 8,5 бар, обеспечивая коэффициент безопасности (запаса) 1,4.
Причин отказа может быть несколько. Истинная - вероятно, одна из них.
Неправильные алгоритмы системы управления. Система управления могла просто «забыть» наддуть топливный бак метана, но такая причина маловероятна. Судя по практически идеальной остальной части полёта, вряд ли в программу забыли добавить операцию наддува топливного бака.
Неправильный расчёт системы наддува. Иногда недооценивают сложность задачи пневмогидравлических систем подачи топлива. Да, двигатели часами отрабатывают на стендах, но двигатели работают в условиях, которые обеспечивает пневмогидравлическая система. Обеспечение необходимого давления и сплошности среды на входах в двигатели только со стороны кажется простой задачей. Но если мы начнём перечислять вариативные факторы, то становится ясна сложность: топливо заправляют с различными содержанием газа и температурой; от двигателя приходит различное количество газа наддува с непостоянной температурой; ракета подвержена разным колебаниям, переворотам и торможениям (особенно SN8); показания датчиков и скорость срабатывания клапанов не идеальны; и прочее. Так что, неудивительно, что расчёт системы мог быть выполнен без учёта какого-то важного фактора, или например, расчётная и монтажная схемы трубопроводов отличались друг от друга.
Отказ системы наддува. Вероятная причина, вызванная отказом какого-нибудь клапана или регулятора давления при отсутствии его дублирования (второй такой же клапан, работающий при отказе первого). Первая ступень Falcon 9 B1050 уже однажды не смогла вернуться из-за отказа основной системы и отсутствия дублирующих элементов. В дальнейшем это исправили.
Разгерметизация метановой топливной системы. Также не самая последняя причина. Разгерметизация стыка или трубопровода вполне могла привести к такому катастрофическому падению давления вплоть до атмосферного. Как мы выяснили выше, Raptor в таких условиях работать не может.
Так или иначе, SpaceX уже информированы об истинной причине, и вскоре она будет устранена.
Автор: Елисей Маслов
Автор
Тема: Новости технологий связанных с космосом (Прочитано 145408 раз)
