О положении центра тяжести корабля Starship при первых полётах к Марсу и посадках на выдвижные опоры
Рендеров марсианских версий Старшипа в сети мало, так что,
извините, что здесь использована старенькая картинка.
Вид высокой, вертикально стоящей ракеты на марсианском ландшафте у многих интересующихся людей вызывает вопросы: "А не завалится ли ракета сразу после посадки? Насколько устойчивой может быть такая конструкция?" Некоторые предполагают, что центр тяжести совершившей посадку второй ступени (корабль Starship - это и есть вторая ступень всей системы) находится где-то ближе к верхушке, ведь топливные баки пусты, а полезная нагрузка располагается в верхней части корабля - под заострённым обтекателем.
Я решил разобраться в этом вопросе и пообщался с Нейросетью Grok от Илона Маска (наверняка Grok лучше других нейросетей осведомлен о тех или иных конструктивных особенностях космической транспортной системы Starship).
Вывод следующий: центр масс марсианской версии корабля Starship будет не выше его геометрического центра.
Детальный разбор этой задачи следует ниже (в переводе на русский язык, разумеется)
Grok, привет. Вопрос: Какова масса пустой второй ступени Starship (без топлива и полезной нагрузки)?
Масса пустой второй ступени SpaceX Starship (Ship) составляет приблизительно 100 тонн (220 000 фунтов) для версии Block 2, как заявил Илон Маск в 2021 году. Эта цифра представляет собой сухую массу без топлива и полезной нагрузки. Обратите внимание, что более ранние оценки и различные конфигурации (например, Block 1 или специализированные варианты) могут незначительно отличаться, при этом некоторые источники указывают диапазон ближе к 120–130 тонн для более ранних проектов или конкретных конфигураций миссии.
Можешь оценить массу, сосредоточенную в двигательном отсеке (для простоты — массу всех 6 двигателей Raptor)?Чтобы оценить массу, сосредоточенную в двигательном отсеке второй ступени Starship, мы можем сосредоточиться на шести двигателях Raptor (три для работы на уровне моря и три для работы в вакууме), как и запрашивалось. Масса каждого двигателя Raptor точная, но, согласно имеющимся данным, вес одного двигателя Raptor (версия для работы на уровне моря) оценивается примерно в 1,8–2 тонны (1800–2000 кг). Оптимизированные для работы в вакууме двигатели Raptor с увеличенными соплами немного тяжелее, потенциально около 2–2,2 тонны каждый. Для простоты предположим, что средняя масса одного двигателя Raptor составляет 2 тонны: 6 двигателей Raptor × 2 тонны = 12 тонн (12 000 кг).
Эта оценка не включает дополнительные компоненты двигательного отсека, такие как трубопроводы, тяговые конструкции или авионика, которые могут добавить небольшой процент к общей массе, но не указаны в запросе.
Какова примерная масса полезной нагрузки, которую Starship может доставить на Марс во время своих первых полётов, запланированных на 2026 год?
Примерная масса полезной нагрузки, которую SpaceX Starship сможет доставить на Марс в ходе первых беспилотных полётов, запланированных на 2026 год, оценивается примерно в 10 тонн на корабль. Планируется отправить не менее пяти кораблей в течение марсианского трансферного окна 2026 года. Эта оценка основана на планах SpaceX для этих первоначальных миссий, которые направлены на проверку надёжности посадки и сбор данных, требуя лишь частичной дозаправки на орбите.
Для сравнения, грузоподъёмность Starship на низкой околоземной орбите (НОО) составляет от 100 тонн (многоразовая) до 200 тонн (одноразовая), но полезная нагрузка на Марс значительно меньше из-за требований к дельта-v для трансмарсианского вывода и посадки. Оценка в 10 тонн для полётов в 2026 году учитывает сложности дозаправки на орбите и использование ракет Starship Block 2 с шестью двигателями Raptor, которые ещё не оптимизированы для максимальной грузоподъёмности. Ожидается, что последующие миссии, например, в 2028–2029 годах, увеличат грузоподъёмность примерно до 75 тонн на корабль благодаря дальнейшим доработкам и полной дозаправке.
Эти цифры основаны на итеративной разработке SpaceX и оптимистичных прогнозах, а фактические характеристики могут меняться в зависимости от успешности дозаправки на орбите и других технологий.
Можешь оценить приблизительное расположение центра массы корабля Старшип (на вертикальной оси - к чему он будет ближе: к вершине корабля или к его основанию) при посадке на Марс на основе предполагаемых в этой дискуссии данных?
Чтобы оценить приблизительное положение центра масс (ЦМ) Starship по вертикальной оси при посадке на Марс, мы можем использовать данные, представленные в нашем обсуждении: масса пустого корабля составляет ~100 тонн, масса двигательного отсека — ~12 тонн для шести двигателей Raptor, и масса полезной нагрузки — ~10 тонн для беспилотных полётов в 2026 году. Вторая ступень Starship (корабль) имеет высоту около 50 метров, с двигательным отсеком в основании и отсеком полезной нагрузки в верхней части. Предположения и анализ: Распределение массы пустого корабля (~100 тонн): конструкция Starship включает в себя планер из нержавеющей стали, баки и другие системы. Большая часть массы конструкции распределена по длине корабля, но баки (для жидкого метана и кислорода), вероятно, сосредоточены в нижних двух третях корабля, поскольку верхняя часть включает отсек полезной нагрузки и зону экипажа (для пилотируемых вариантов). Двигательный отсек с двигателями Raptor общей массой около 12 тонн расположен у основания (0 метров по вертикальной оси). Эта значительная концентрация массы тянет CoM вниз.
Масса полезной нагрузки (около 10 тонн):
Полезная нагрузка размещается в грузовом отсеке, расположенном в верхней части Starship (вероятно, на высоте 40–50 метров по вертикальной оси). Эта масса тянет CoM вверх, но относительно мала по сравнению с массой пустого корабля.
Остатки топлива:
При посадке на Марс Starship будет нести остатки топлива для маневров спуска и посадки. Хотя большая часть топлива расходуется во время трансмарсианского запуска и крейсерского полета, небольшое количество (по оценкам, несколько тонн) остается в баках, вероятно, в нижней половине корабля (10–30 метров). Это дополнительно смещает CoM к основанию.
Упрощенная оценка центра масс:
Без точных данных о распределении массы мы можем приблизительно оценить центр масс, рассмотрев основные компоненты:
Двигатели (12 тонн): Расположены на высоте ~0 метров (в основании).
Конструкция и баки (88 тонн, масса пустого контейнера за вычетом массы двигателей): Вероятно, сосредоточены на высоте ~20–25 метров (середина нижних двух третей 50-метровой высоты, поскольку баки и масса конструкции сосредоточены именно здесь).
Полезная нагрузка (10 тонн): Расположена на высоте ~45 метров (в верхней части, в отсеке полезной нагрузки).
Остатки топлива: Предполагается, что их количество небольшое и они расположены в нижней половине (~15–20 метров), что вносит минимальный вклад в смещение центра масс.
Грубый средневзвешенный расчёт:
Двигатели: 12 тонн × 0 метров = 0 тонно-метров
Конструкция/баки: 88 тонн × 22,5 метра (средняя оценка) = 1980 тонно-метров
Полезная нагрузка: 10 тонн × 45 метров = 450 тонно-метров
Общая масса: 12 + 88 + 10 = 110 тонн
Суммарный момент: 0 + 1980 + 450 = 2430 тонно-метров
Высота ЦМ = 2430 / 110 ≈ 22 метра от основания.
Конфигурация для посадки: Во время посадки на Марс Starship будет находиться в конфигурации с опущенным хвостом, с работающими двигателями для торможения. Низкая масса полезной нагрузки и остаточного топлива означают, что центр масс космического корабля (CoM) по-прежнему определяется конструкционной массой и двигателями, располагаясь ближе к основанию, чем к верхней части.
Вывод: Исходя из предоставленных данных, центр масс Starship при посадке на Марс, вероятно, расположен ближе к основанию аппарата, примерно в 20–25 метрах от нижней части (или примерно в 40–50% от высоты 50 метров). Это связано со значительной массой двигателей (12 тонн) у основания и конструкционной массой баков и планера, сосредоточенной в нижней половине, что перевешивает меньшую массу полезной нагрузки (10 тонн) в верхней части.
Предполагается, что первые корабли будут приземляться на поверхность Марса с помощью довольно массивных выдвижных опор. Они также расположены в нижней части корабля. Их масса пока нигде не указана (поправь меня, если я ошибаюсь). Можно ли как-то оценить общую массу (предположительно трёх) выдвижных опор Starship?
Вы правы, что конкретные оценки массы убирающихся посадочных опор космического корабля Starship компании SpaceX, особенно для марсианских миссий, запланированных на 2026 год, не приводятся в открытых источниках. Тем не менее, мы можем сделать обоснованную оценку, основанную на имеющихся данных, инженерных принципах и сравнении с аналогичными системами. Посадочные опоры космического корабля Starship для Марса должны выдерживать значительную массу при посадке на неровную поверхность, поглощать ударные нагрузки и быть убирающимися, чтобы минимизировать сопротивление и повреждение теплового экрана при входе в атмосферу. Давайте разберем это пошагово, чтобы оценить общую массу (предполагаемых) трёх убирающихся посадочных опор.
Шаг 1: Контекстные данные из обсуждения. Масса пустого космического корабля: ~100 тонн (Блок 2, по Илону Маску, 2021).
Масса двигательного отсека: ~12 тонн для шести двигателей Raptor (оценочно ~2 тонны каждый).
Масса полезной нагрузки: ~10 тонн для посадки на Марс в 2026 году.
Общая посадочная масса: При минимальном остаточном количестве топлива (несколько тонн для посадки) общая масса при посадке составляет приблизительно 120–125 тонн (100 тонн пустого + 10 тонн полезной нагрузки + ~5–10 тонн остаточного топлива).
Центр масс (ЦМ): Рассчитан на расстоянии ~20–25 метров от основания на 50-метровой высоте второй ступени Starship, смещен к основанию из-за тяжелых двигателей и конструкции топливного бака.
Посадочные опоры: Предполагается, что это три выдвижные опоры, расположенные у основания (двигательного отсека) для обеспечения устойчивости на неровной поверхности Марса. Официальных данных по массе нет.
Шаг 2: Технические требования к посадочным опорам. Посадочные опоры должны: Выдерживать вес аппарата: Выдерживать статический вес ~120–125 тонн в условиях гравитации Марса (0,38 g, или 3,73 м/с²), а также динамические нагрузки от удара при приземлении.
Поглощать энергию удара: Смягчать силы приземления, которые могут в 2–3 раза превышать статический вес из-за скорости снижения (оцениваемой в ~5–10 м/с после использования ретро-движения) и неровностей рельефа.
Обеспечивать устойчивость: Обеспечивать широкую опору для предотвращения опрокидывания с соотношением высоты опоры к высоте ЦМ, близким к 1 (что продемонстрировано на примере лунных и марсианских посадочных аппаратов). Для ЦМ на высоте ~20–25 метров диаметр посадочного полигона должен составлять ~20–25 метров.
Быть выдвижными: Складываться в двигательный отсек для защиты теплозащитного экрана при входе в атмосферу, вероятно, с помощью гидравлических или пневматических механизмов. Минимизация массы: SpaceX уделяет первостепенное внимание эффективности массы для максимального увеличения грузоподъемности, поэтому опоры должны быть легкими, но прочными.
Шаг 3: Сравнение с известными системами. Поскольку прямых данных о массе опор Starship нет, можно провести аналогии с другими космическими аппаратами: Посадочные опоры Falcon 9: Каждая из четырех опор ускорителя Falcon 9 весит приблизительно 0,5–0,7 тонны, что в сумме составляет около 2–2,8 тонны. Эти опоры поддерживают ускоритель сухой массой около 25 тонн на Земле (1 г) с использованием композитных материалов на основе углеродного волокна и одноразовых удлинительных труб.
Посадочный модуль NASA для возврата образцов с Марса: Этот посадочный модуль, рассчитанный на посадку на Марс массой около 2,3 тонны, оснащен четырьмя опорами с разрушаемыми компонентами. Испытания на падение показали, что для минимизации массы могут использоваться легкие композитные материалы, которые потенциально могут составлять около 100–200 кг на опору (общая масса около 0,4–0,8 тонны).
Лунный модуль «Аполлон»: имел четыре опоры, каждая весом ~20–30 кг, общей массой ~80–120 кг, выдерживая посадочную массу ~7 тонн на Луне (0,16 г). Опоры изготовлены из алюминия с деформируемыми сотами для амортизации.
Система посадки человека на Луну (HLS): лунный вариант имеет посадочные опоры (количество не указано, вероятно, 4–6), предназначенные для посадки аппарата массой ~100 тонн на Луну. Масса не указана, но опоры, вероятно, тяжелее, чем у «Аполлона», из-за большей массы и силы тяжести (0,38 г на Марсе против 0,16 г на Луне).
Шаг 4: Оценка массы опор. Для оценки массы трёх выдвижных посадочных опор Starship: Расчёт статической нагрузки: На Марсе посадочная масса Starship составляет ~120 тонн × 3,73 м/с² = ~447 кН. При трёх опорах каждая опора должна статически выдерживать нагрузку ~447 кН / 3 = ~149 кН при условии равномерного распределения.
Учёт динамической нагрузки:
Удар при посадке может увеличить статическую нагрузку в 2–3 раза (динамический коэффициент), поэтому каждая опора должна выдерживать ~300–450 кН.
Неровная местность может привести к тому, что одна опора кратковременно будет нести большую нагрузку (например, 50–75% от общего веса), поэтому одной опоре может потребоваться выдерживать ~225–335 кН.
Материал и конструкция:
SpaceX может использовать для опор нержавеющую сталь (как в планере Starship) или лёгкие композитные материалы (как опоры Falcon 9) с гидравлическими/пневматическими механизмами уборки.
Опоры должны быть прочными, чтобы избежать деформации (что может помешать уборке и повредить теплозащитный экран при возвращении на Землю). Для критически важных компонентов может использоваться высокопрочный материал, такой как инконель или титан.
Каждая опора, вероятно, включает в себя телескопическую стойку, широкую посадочную площадку (диаметром ~0,5–1 метр) и систему амортизации (например, сминаемые сотовые или гидравлические амортизаторы).
Масштабирование по сравнению с Falcon 9: опоры Falcon 9 (~0,7 тонны каждая) выдерживают на Земле ускоритель весом ~25 тонн (1 g, ~245 кН на опору с четырьмя опорами).
Опоры Starship должны выдерживать нагрузку ~120 тонн на Марсе (0,38 g, ~149 кН на опору с тремя опорами), но с более высокими динамическими нагрузками из-за марсианского rпересеченной местности и большей массы аппарата.
Масштабируя по массе и силе тяжести, опоры Starship должны быть примерно в 2–3 раза прочнее, чем у Falcon 9. Если опоры Falcon 9 весят примерно 0,7 тонны, то опоры Starship могут весить примерно 1,5–2 тонны каждая, учитывая механизмы возврата и особенности марсианского рельефа.
Масштабируя с марсоходом NASA Mars Lander: опоры посадочного модуля Mars Sample Return (каждая весом примерно 0,1–0,2 тонны) выдерживают вес примерно 2,3 тонны. Линейное масштабирование до 120 тонн Starship дает общую нагрузку примерно 5–10 тонн на опоры, или примерно 1,7–3,3 тонны на опору с тремя опорами. Однако эта оценка может быть завышена, поскольку Starship использует ретро-движение для снижения скорости удара, в отличие от парашютного посадочного модуля NASA.
Инженерная оценка: Если предположить наличие трёх опор, каждая из которых оснащена гидроцилиндром, амортизатором и широкой опорной площадкой, то разумная оценка составляет 1,5–2,5 тонны на опору, исходя из масштабирования опор Falcon 9 и с учётом меньшей гравитации Марса, но более высоких динамических нагрузок и сложности спуска.
Общая масса трёх опор: 4,5–7,5 тонн.
Шаг 5: Удар по центру масс. Добавление 4,5–7,5 тонн в основание (моторный отсек, ~0 метров) немного снижает центр масс: Предыдущая оценка центра масс: ~22 метра (2430 тонно-метров / 110 тонн).
Новая масса: 110 тонн + 6 тонн (средняя точка) = 116 тонн.
Вклад момента: 6 тонн × 0 метров = 0 тонно-метров. Новая ЦМ: 2430 / 116 ≈ 21 метр от основания.
Это смещение минимально, но подтверждает, что ЦМ находится ближе к основанию, что способствует устойчивости. Шаг 6: Неопределенности и соображения. Количество опор: Для минимальной массы и простоты предполагается три опоры, но для избыточности возможны четыре или шесть опор, как предлагалось в некоторых обсуждениях. Большее количество опор уменьшит массу каждой опоры, но увеличит общую массу опор (например, 4 опоры по 1,2–2 тонны каждая = 4,8–8 тонн).
Рельеф и устойчивость: Неровный рельеф Марса требует широкой опоры, что увеличивает размер и массу опор. Диаметр опоры около 20 метров подразумевает, что опоры выступают примерно на 10 метров от 9-метрового корпуса Starship.
Интеграция теплозащитного экрана: Для устойчивости опор при входе в атмосферу Земли могут потребоваться теплозащитные плитки или конструкция из инконеля, что увеличит массу.
Статус разработки: По состоянию на 2025 год SpaceX проводит испытания Starship Block 2, а посадочные опоры всё ещё находятся в стадии разработки. Миссии на Марс в 2026 году могут использовать минимальные опоры или приземляться на юбку двигателя, как предлагает Дэн Хуот из SpaceX. Это может уменьшить массу опор, но ухудшить устойчивость.
Окончательная оценка. Исходя из масштабирования Falcon 9, марсианского посадочного модуля NASA, и инженерных соображений, общая масса трёх убирающихся посадочных опор для посадки Starship на Марс в 2026 году оценивается в 4,5–7,5 тонн, при этом каждая опора весит примерно 1,5–2,5 тонны. Этот диапазон учитывает необходимость поддержки около 120–125 тонн на Марсе, поглощения динамических нагрузок и использования механизмов уборки, сохраняя при этом низкую массу для эффективности полезной нагрузки.
Ссылка на дискуссию (english): https://x.com/i/grok/share/HxEqgFpSx9o8R2Rzrh25iVPjT
Комментарии
Отправить комментарий