Познакомившись с положением об олимпиаде Можайского, меня заинтересовал вопрос: «Какое будущее у аэрокосмического транспорта?» Я решил поискать на него ответ. В результате поиска я узнал о проекте частной компании SpaceX, которая мечтает о создании Марсианского Колониального Транспорта и удешевлении стоимости космических полетов.
Я выдвинул гипотезу: в будущем можно будет использовать проекты SpaceX для аэрокосмического транспорта.
Цель работы: выяснить, можно ли для развития аэрокосмического транспорта использовать проект Space X
Задачи:
Изучить историю проекта
Изучить эволюцию ракетоносителей SpaceX, их двигателей и их преимущества
Изучить перспективы проекта SpaceX
Методы исследования:
Изучение и анализ литературы и соответствующих сайтов в сети Интернет
Анализ отчетов компании
Объект исследования: частная космическая компания SpaceX
Глава 1. Проект SpaceX
1.1. История проекта
Я узнал, что история компании SpaceX начинается с 2001 года. Её руководитель Илон Макс всю свою жизнь увлекался космосом. Он мечтал создать свой проект по созданию ракет. Этот проект он назвал SpaceX — Space Exploration Systems.
Первая ракета, которую разработали в компании, называлась Falcon 1, так как на ней использовался один двигатель Merlin. Эта ракета имела незаурядные характеристики, ракета легкого класса (см. приложение 1). Полезная нагрузка составляла всего до 600 килограмм. Во время испытаний, двигатели то выключались, то взрывались.
К 2004 году двигатели стали работать стабильно.
В 2006 году состоялся первый запуск ракетоносителя Falcon 1. Ракета поднялась, стремительно устремилась в небо и на 25 секунде взорвалась. Упала недалеко от стартового стола. Причина была в разрушении гайки, к которой крепился топливопровод к двигателю.
Во время второго запуска, первая ступень отработала идеально. После разделения ступеней включился двигатель второй ступени. Но во время выработки топлива, топливо внутри баков начало плескаться, ступень начала раскачиваться и разрушилась.
Третий запуск был совершен в августе 2008 года. Во время третьего запуска, во время разделения ступеней, первая ступень не отошла от второй. Всё это произошло из-за того, что на третьей ракете был установлен двигатель с другим типом охлаждения.
Четвертый запуск был произведен спустя месяц после третьего запуска. В качестве полезной нагрузки, в отличие от первых запусках, не использовали спутник — в этом запуске использовался массогабаритный макет груза. В сентябре 2008 года первая и вторая ступень отработали идеально и вывели этот массогабаритный груз на орбиту с перигеем в 500 километров и апогеем в 700 километров вокруг Земли.
Следующим эволюционным шагом в компании SpaceX была ракета Falcon 9, которая использовала 9 двигателей Merlin в своих технологиях. И первая ракета из семейства Falcon 9 была ракета версии 1.1. (см. приложение 2). Falcon 9 (v 1.0) имела девять двигателей, которые располагались рядно. Ракета управлялась распределением тяги между двигателями по периметру. Двигатели не вращались, не использовалось управление за счет поворота двигателя. Система распределяла тягу, тем самым управляя движением. Таких ракет было построено 5 штук. После этого начали использовать новую версию ракеты Falcon 9 (v 1.1) В версии 1.1 были увеличены баки, самым заметным отличием был переход от рядного расположения двигателей к кольцевому расположению (см. приложение 3,5). Кольцевое расположение позволило разместить центральный двигатель на подвесе, за счет чего управление стало осуществляться поворотом центрального двигателя. Это было нужно для того, чтобы в дальнейшем возвращать ступень на Землю. Таких ракет из 19 запусков на текущий момент — 5 запусков версии 1.0, а остальные 14 — версии 1.1.
Следующая стадия — версия 1.2 (Falcon 9 v 1.2). Коренное отличие ракеты — это использование переохлажденного окислителя кислорода. Криогенный кислород пропускают через специальное устройство, через жидкий азот, за счет чего он охлаждается примерно до температуры около -215 градусов по Цельсию. Это увеличивает плотность окислителя на 7%, соответственно позволяет поместить в ракету больше окислителя по массе. Топливо теперь тоже охлаждается до температуры -30 градусов по Цельсию — это увеличивает эффективность системы охлаждения ракеты. Falcon 9 версии 1.2 планируется в трех вариантах (см. приложение 6). Первая версия — версия с кораблем Dragon 1, вторая — версия с кораблем Dragon 2, конструируемым сейчас и третья версия — версия с обтекателями для полезной нагрузки, чтобы выводить спутники на орбиту. Новая версия позволила увеличить массу полезной нагрузки примерно на 30%. Это нужно для того чтобы выводить тяжелые грузы на орбиту, и в каждый запуск устанавливать систему возврата ступени, которая занимает определенную массу и определенное топливо.
1.2. Перспективы ракетоносителей SpaceX
Продолжая знакомиться с проектом SpaceX, я выяснил, что следующим, не только качественным, но и количественным развитием ракет компании SpaceX является ракетоноситель Falcon Heavy (см. приложение 7). Ракета сверхтяжелого класса, центральный блок — Falcon 9 плюс два дополнительных разгонных блока, которые являются первыми ступенями ракеты. Все три части будут возвращаемыми на Землю. Первые две ступени планируется возвращать на берег, на посадочные площадки, третья ступень будет улетать немного дальше по своей баллистической траектории и поэтому планируется ее сажать на плавучий космодром — на баржу. Также в этой ракете будет использована уникальная система перекрестной подачи топлива. В чем она заключается — во время старта работают все три блока — это 27 двигателей (3х9), но топливо и окислитель берутся из двух крайних блоков, центральный остается целым до отстыковки крайних блоков. Во время их отстыковки топливо начинает расходоваться из центральной части и это позволяет улучшить характеристики ракеты. Самыми значительными изменениями в ракете является масса, которую она может выводить на орбиту. На низкоопорную орбиту это составляет 53 тонны — невероятная масса. На Марс — 13,2 тонны. Falcon Heavy будет способна доставить полностью загруженный корабль Dragon на Марс, и частично загруженный на Юпитер.
1.3. Двигатели, разработанные в компании SpaceX
Я узнал, что в компании SpaceX разработали простые двигатели Merlin, которые используют открытый цикл (см. приложение 9,12) Это означает то, что часть топлива и окислителя используется для нагнетания топлива в камеру сгорания. Используется газогенератор, в котором сгорает часть топлива и окислителя, раскручивая турбины, которые подают топливо под высоким давлением в камеру сгорания, а отработанные газы выходят через патрубок. В первой версии Falcon 1 изменение вектора этого выхлопа использовалось для управления ракетой.
Схема открытого цикла проста, надёжна, она недорогая в создании и использовании. Потому что в ней используется невысокое давление в камере сгорания — и это, с большим заделом на будущее, способствует использованию многоразовых систем.
Я выяснил, что двигатели Merlin имеют не такую уж и высокую тягу, как наш легендарный двигатель РД-108, и не самый высокий удельный импульс, который показывает эффективность работы двигателя (см. приложение 10)
Однако они имеют преимущество - тяговооруженность (см. приложение 11). Тяговооруженность - это сколько собственных масс двигатель может поднять. 157 единиц — для двигателя такой схемы это рекорд. Выше бывает только у ракет, которые используют токсичные виды топлива. Планируется, что двигатели будут возвращаться и использоваться повторно.
1.4. Reusable— многоразовость
Исследуя ракетоносители и двигатели компании, я узнал о проекте возвращаемой первой ступени ракетоносителей компании SpaceX (см. приложение 13). На самом деле, эта теория многоразового использования имеет как много сторонников, так и много противников. Но именно эта функция существенно удешевляет стоимость запусков РН компании SpaceX. Я выяснил, что таким способом стоимость запуска снижается на ~60%. И эти средства компания может вложить в свои будущие разработки и перспективы.
Работы над многоразовостью начали вестись в 2011 году на полигоне МакГрегор в штате Техас компании SpaceX. С использованием испытательного стенда, который назывался Grasshopper (Кузнечик). Эта ракета, которая, по сути, представляла собой первую ступень РН Falcon 9. Почему Кузнечик? Кузнечик, потому что эта ракета «подпрыгивала», она делала подскоки и отрабатывала момент посадки ступени за счет изменения тяги двигателя и его вектора.
В 2014 году систему возврата начали ставить на действующие ракетоносители, которые запускались в рамках миссий SpaceX. В апреле 2014 года была предпринята первая попытка посадки ступени — не на поверхность, а просто в океан. Ракета подошла к поверхности воды на необходимой скорости, замедлилась и погрузилась в воду.
В 2015 году начались испытания с посадкой ступени на плавучую баржу-космодром, которая находилась в океане. На ней использовалось четыре дизельных двигателя, которые удерживали баржу в определенной точке, с точностью до нескольких метров и ступень садилась на эту баржу. Случай, когда была произведена попытка посадки, был в апреле 2015 года, тогда «почти получилось»: ракета подошла хорошо, она попала куда нужно, но в результате небольшого сноса она опрокинулась и взорвалась.
22 декабря был произведен запуск Falcon 9 v.1.2 FT, запуск был осуществлен впервые после аварии, произошедшей в июне 2015 года. В этот раз SpaceX впервые удалось осуществить управляемый спуск на землю нижней ступени ракеты-носителя Falcon 9 (см. приложение 13). Таким образом, компания смогла сохранить ее для повторного использования. Я узнал, что в данный момент ракета проходит необходимые тестирования для определения ее состояния после запуска и посадки. Данная ракета уже не полетит снова, — Илон Маск заявил, что они сохранят ее для собственного музея.
Подобные проекты пытались создать и наши соотечественники. В ГКНПЦ им. Хруничева совместно с НПО «Молния» разрабатывали «Байкал» (см. приложение 15) — проект многоразового ускорителя первой ступени ракеты-носителя Ангара. Основная идея проекта состояла в том, чтобы выполнивший задачу ракетный ускоритель, отделившись от носителя, автоматически возвращался к месту старта и приземлялся на самолётную взлётно-посадочную полосу как крылатый беспилотный летательный аппарат. Но, к сожалению, наш проект так и остался на стадии разработки. Разработчики показали макет ускорителя в 2001 году, на авиакосмическом салоне «МАКС - 2001».
1.5. Dragon
В 2004 году компания начала разрабатывать корабль Dragon, свой первый полёт он совершил в декабре 2010 года. Полезный объем составляет 11 кубических метров, также он способен перевозить груз в «багажнике», объем которого составляет 14 м3 (см. приложение 16).
Я выяснил, что уникальность Dragon заключается в возможности возвращать грузы с МКС на Землю и это первый корабль, произведенный частной компанией, который пристыковался к МКС.
Dragon V2 - вторая версия корабля. В нем используется двигатели Super Draco, полностью напечатанные на 3D принтере. Два двигателя объединены в 1 кластер. Всего используется 4 кластера. Используя эти двигателя, корабль будет способен самостоятельно приземляться, не используя парашютов (см. приложение 17).
Я узнал, что в перспективе корабля Dragon — миссия «Mars 2020», в которой марсоход, созданный по аналогу существующего Curiosity, будет собирать в ёмкость образцы марсианского грунта, после чего доставит её к точке взлёта-посадки корабля Dragon, который доставит их на орбиту, а далее на Землю.
Заключение
Изучив информацию о проекте Space X, я выяснил, что перспективой проекта является использование новых двигателей Raptor, о которых пока ничего не известно. Эта ракета будет полностью многоразовой, первая и вторая ступени будут использоваться повторно. А доставлять на орбиту она будет Марсианский Колониальный Транспорт (см. приложение 18), который будет использоваться для доставки на Марс людей — на одном корабле будут помещаться около ста человек. На основании всех приведенных материалов я пришел к выводу, что в будущем можно будет использовать проект SpaceX для аэрокосмического транспорта.
Список использованной литературы и источников
1. Эшли Вэнс — Илон Маск. Tesla, SpaceX и дорога в будущее. (Издательство: Олимп-Бизнес; 2015 г.; ISBN 978-5-9693-0307-2, 978-0-06-230123-9, 978-59693-0330-0);
2. В.А. Афанасьев — Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов (Издательство: М.: Изд-во МАИ.; 1994 г.; ISBN: 5-7035-0318-3);
3. В. Максимовский — «Ангара-Байкал. О разгонном ракетном модуле многоразового использования»;
