Урок, который SpaceX извлекла из последнего полёта Starship: «Нам нужно герметизировать плитки»
Десятый испытательный полёт космического корабля SpaceX Starship завершился приводнением в Индийском океане. Фото предоставлено SpaceX
В следующем году SpaceX планирует осуществить орбитальный полет Starship с кораблем нового поколения.
Прошло две недели с момента последнего испытательного полета Starship компании SpaceX, и инженеры диагностировали проблемы с его тепловым экраном, определили пути усовершенствования и разработали предварительный план для следующего полета корабля в космос.
Билл Герстенмайер, руководитель SpaceX, отвечающий за надежность сборки и полета, представил результаты исследования в понедельник на симпозиуме по космическим технологиям имени Джона Гленна, организованном Американским астронавтическим обществом в Кливленде.
Ракета стартовала 26 августа со стартовой площадки SpaceX на базе Starbase в Техасе, к северу от границы США и Мексики. Это был десятый полномасштабный испытательный полёт сверхтяжёлого ускорителя SpaceX и орбитального блока Starship, которые вместе образуют самую большую в мире ракету.
Испытательный полёт 26 августа преследовал несколько главных целей. SpaceX необходимо было решить проблемы с двигательной установкой и топливной системой Starship, которые препятствовали трем предыдущим испытательным полётам. Кроме того, инженерам требовались данные о тепловом экране Starship — системе из тысяч плиток, покрывающих днище корабля и сохраняющим его от перегрева и разрушения, когда корабль пролетает сквозь атмосферу при входе в атмосферу.
«Все прошло очень хорошо», — сказал Герстенмайер.
Чуть более чем через час после старта Starship самостоятельно совершил управляемое приводнение в Индийском океане к северо-западу от Австралии. Корабль приблизился к расчетной точке приводнения всего в 3 метрах (10 футов) от заданных координат, рядом с надувным буем, установленным для регистрации его окончательного снижения.
Видео с буя и зависшего поблизости беспилотника показало, как Starship заходит на приводнение. Сначала он планировал на брюхе, а затем запустил три из шести двигателей Raptor, чтобы перевернуться в вертикальное положение за несколько мгновений до того, как погрузиться в океан. Однако корабль получил несколько боевых шрамов. На задней части и закрылках были видны видимые повреждения, а особенно ярко выраженный ржаво-оранжевый оттенок, украшавший борт 52-метрового аппарата.
Фото предоставлено SpaceX
Основатель SpaceX Илон Маск заявил, что изменение цвета было вызвано окислением металлических теплозащитных плиток, установленных для проверки их прочности и эффективности по сравнению с керамическими плитками корабля. В отличие от предыдущих полётов Starship, по словам Маска, почти все плитки оставались на корабле с момента запуска до посадки.
Билл Герстенмайер, вице-президент SpaceX по надежности конструкции и полётов, рассказал в понедельник о результатах полёта Starship Flight 10. Источник: Американское астронавтическое общество
Углубляясь в детали
Герстенмайер более подробно рассказал об испытательном полете Starship в понедельник.
«По сути, мы проводили испытание, чтобы проверить, можно ли обойтись без керамической плитки. Поэтому мы разместили три металлические плитки на борту корабля, чтобы проверить, обеспечат ли они адекватную теплоизоляцию. Ведь их проще изготовить, и они прочнее керамической плитки. Оказалось, что нет», — сказал Герстенмайер.
«Металлические плитки... не очень хорошо себя зарекомендовали», — сказал он. «Они очень хорошо окислялись в среде с высоким содержанием кислорода. Поэтому этот приятный оранжевый цвет, похожий на цвет внешнего бака [космического] шаттла , возможно, отдающий дань уважения программе шаттлов, был получен благодаря этим трём маленьким металлическим плиткам сверху».
Герстенмайер обладает талантом объяснять сложные технические концепции доступным языком. Он начал свою карьеру в качестве инженера аэрокосмической техники, работая над программой космических челноков в NASA в 1977 году. Он поднялся по карьерной лестнице в NASA до руководителя всех программ пилотируемых космических полётов агентства, а затем присоединился к SpaceX в 2020 году.
Эксперимент с металлическими плитками характерен для того, как SpaceX разрабатывает Starship. Инженеры компании быстро вносят изменения и внедряют новые конструкции в каждый испытательный полёт. Металлические теплозащитные плитки — не новая технология. NASA испытывало их в лабораториях в 1970-х годах , но так и не запустило в полёт.
«Думаю, мы многому научились, когда запустили их в полёт, и у нас всё ещё была достаточная защита снизу, так что они не создавали проблем», — сказал Герстенмайер. «В большинстве плиток довольно большие щели, и именно через них мы видим, как тепло проникает внутрь».
Разработка теплового экрана Starship имеет решающее значение для будущего программы. Тепловой экран должен быть прочным, чтобы Starship можно было быстро использовать повторно. Маск планирует перезапускать Starship в течение 24 часов.
Система тепловой защиты STS-114 Discovery. Источник изображения: Wikipedia
В многоразовых космических челноках НАСА использовалось около 24 000 хрупких керамических плиток для защиты от самых высоких температур при входе в атмосферу. Однако эти материалы были хрупкими и подверженными повреждениям, поэтому требовали ручного ремонта и подкрашивания между миссиями. Пилотируемый модуль Dragon компании SpaceX имеет многоразовую конструкцию, которая лежит в основе теплового экрана, но сам материал теплового экрана используется только один раз.
Для Starship компании SpaceX нужен теплозащитный экран, способный выдержать все суровые условия космического полёта: сильные вибрации во время запуска, экстремальные перепады температур в космосе, палящий жар при входе в плотные слои атмосферы и сжатие захватов стартового стола в конце каждой миссии. Маск назвал многоразовый теплозащитный экран корабля «самой большой» инженерной задачей программы Starship.
Потрясающий вид на вторую ступень системы Starship компании SpaceX в момент приводнения в Индийском океане 26 августа. Фото предоставлено SpaceX
Продолжая свою презентацию, Герстенмайер указал на белое пятно в верхней части теплового экрана Starship. По его словам, это произошло из-за просачивания тепла между плитками и эрозии основного материала – теплового барьера, созданного на основе теплового экрана космического корабля SpaceX Dragon. Техники также намеренно сняли несколько плиток в носовой части Starship, чтобы проверить реакцию аппарата.
«По сути, это белый материал, который наносится на плитку Dragon и абляционно удаляется, оставляя после себя белый налёт», — сказал Герстенмайер. «Это показывает, что тепло проникает в область между плитками, проникает под них, и эта абляционная структура затем абляционно удаляется снизу. Поэтому мы пришли к выводу, что плитки необходимо герметизировать».
Основная конструкция Starship изготовлена из специального сплава нержавеющей стали. Большинство других космических аппаратов, предназначенных для возвращения в атмосферу, таких как шаттл и Dragon, изготовлены из алюминия. Более высокая температура плавления стали делает Starship менее подверженным повреждениям теплового экрана, чем шаттл.
Инженеры заметили еще несколько белых пятен ниже на Starship, где тепло также просачивалось между плитками и сжигало находящийся под ними материал.
Предварительный обзор тестового полёта №11
Не очень уверенно, но представители SpaceX считают, что у них есть решение. В верхней части корабля, среди белого пятна, инженеры заметили несколько более тёмных участков. Это места, где наземная команда SpaceX установила новый экспериментальный материал вокруг и под плиткой.
«Мы называем это хрустящей пленкой», — сказал Герстенмайер. «Это как обёрточная бумага, которая обёртывает каждую плитку, а затем... эти плитки механически удерживаются на месте. Их защёлкивает робот. Когда мы вставляем плитку, эта небольшая обёрточная бумага, по сути, обёртывает края каждой плитки, а затем мы обрезаем её по поверхности».
Использование этого материала, называемого «хрустящей плёнкой», позволяло заделывать щели между плитками без использования заполнительных полос. Заполнители щелей на космическом челноке усложняли конструкцию теплового экрана и иногда смещались во время полёта.
«Именно это мы и будем использовать в следующем полёте, полёте №11», — сказал Герстенмайер. «Когда мы прилетим сюда, мы, по сути, будем повсюду использовать хрустящую плёнку и посмотрим, сможем ли мы улучшить герметизацию и эксплуатационные характеристики плитки в будущем. В этих областях мы изобретаем что-то новое. Мы проводим тестовые эксперименты. Мы проводим испытания по расширению зоны действия. Мы занимаемся аэродинамикой. Всё это критически важно».
Вид сверху на сверхтяжелый ускоритель для следующего испытательного полета SpaceX Starship во время статического огневого испытания в воскресенье. Этот ускоритель уже запускался в марте и был зафиксирован с помощью захватов на башне стартовой площадки. Фото предоставлено SpaceX
В рамках 11-го полёта Starship будет запущен по суборбитальной траектории, аналогичной той, по которой корабль выполнял все предыдущие миссии. Следующий полёт может состояться в октябре и подготовит SpaceX к запуску модернизированной ракеты Starship/Super Heavy в следующем году. SpaceX провела испытания ускорителя Super Heavy для следующего запуска в воскресенье в Техасе.
«Думаю, в следующем полёте мы не будем использовать так много разных технологий», — сказал он. «Мы постараемся больше приблизиться к конфигурации, которую хотим запустить в следующем году».
Выход на орбиту
«В следующем году мы перейдём к новой версии корабля и ускорителя под названием V3 (версия 3)», — сказал Герстенмайер, отвечая на вопрос Ars. «В ней также установлен новый двигатель Raptor, обладающий большей производительностью, чем предыдущие. Поэтому сначала мы запустим V3 в суборбитальный полёт, а затем, если он будет успешным, вероятно, выйдем на орбиту со следующим V3».
Это означает, что орбитальный полёт состоится не раньше тестового полёта №13. Это совпадает с недавним комментарием Маска, который сказал, что SpaceX, вероятно, попытается перехватить и вернуть Starship на базу Starbase где-то в районе рейса №13–15, в зависимости от результатов следующих нескольких испытательных полётов. Это также согласуется с прогнозами моего коллеги Эрика Бергера в недавней статье о Starship.
Чтобы быть пойманным лапами Мехазиллы, Starship должен разогнаться до орбитальной скорости, чтобы облететь весь мир и вернуться в Техас.
Все испытательные полёты Starship до сих пор были суборбитальными, то есть они возвращались на Землю до того, как могли бы совершить облёт планеты. SpaceX хочет быть уверенной, что может контролировать, где и когда корабль возвращается на Землю, прежде чем выйти на орбиту. Неконтролируемое возвращение корабля такого размера, как Starship, приведёт к падению на землю крупных обломков.
Орбитальные миссии откроют новый этап развития Starship. Возвращение Starship в целости и сохранности позволит инженерам, помимо прочего, лучше оценить эффективность теплозащиты корабля. Вывод Starship на орбиту позволит SpaceX начать запуск более мощных широкополосных спутников Starlink нового поколения для потребительского интернет-сервиса компании. Что особенно важно для будущих полётов на Луну и Марс, орбитальный полёт откроет для SpaceX возможность состыковать два корабля в космосе для первой демонстрации полноценной орбитальной дозаправки.
Фото предоставлено SpaceX
«Мы попытаемся сделать это в следующем году», — сказал Герстенмайер. «В 2026 году основное внимание будет уделено полномасштабной перекачке топлива. Если мы собираемся покинуть околоземную орбиту, нам понадобится перекачка топлива».
Вид части теплового экрана Starship, включая три экспериментальные металлические плитки. Каждая плитка размером примерно с обеденную тарелку. Фото предоставлено SpaceX
Герстенмайер также кратко упомянул результаты экспериментов с ускорителем Super Heavy ракеты-носителя Starship во время последнего испытательного полета.
В этом полёте ускоритель приводнился в Мексиканском заливе недалеко от побережья Техаса после того, как Starship вывелся в космос. SpaceX использовала этот полёт, чтобы подвергнуть ускоритель более высоким нагрузкам при возвращении на Землю, направив ракету на воду в заливе вместо того, чтобы вернуть её на стартовую площадку для захвата механическими рычагами башни.
«Там мы изучали угол атаки и то, насколько хорошо ускоритель может летать самостоятельно, чтобы понять, какими возможностями мы располагаем, чтобы вернуть его на башню в будущем», — сказал Герстенмайер.
Инженеры SpaceX заметили, что поведение ускорителя при снижении в полёте не соответствует прогнозам, полученным с помощью компьютерных моделей или испытаний в аэродинамической трубе. В ходе наземных экспериментов ускоритель испытывает нестабильную тряску при снижении скорости ниже скорости звука.
Основываясь на этих результатах, «[мы] не должны были быть в состоянии сделать то, что мы делаем с нашим маневром возвращения с помощью ускорителя, но мы смогли, по сути, показать в полете, что у нас больше стабильности, чем показывают CFD (вычислительная гидродинамика) или аэродинамические трубы», — сказал Герстенмайер.
«Итак, главный вопрос к исследовательскому сообществу: почему мы видим эти различия?» — спросил он. «Мы подозревали, что они там есть, но не были уверены на 100%, и нам удалось это сделать очень хорошо».
Герстенмайер предположил, что этот вопрос лучше задать университетам и государственным лабораториям. Такие компании, как SpaceX, быстро внедряют инновации, но, найдя работающее решение, переключаются на что-то другое.
«Я получил то, что называю минимально жизнеспособным решением», — сказал Герстенмайер. «Я не совсем понимаю, почему оно работает, но каким-то образом оно работает, поэтому мы будем его использовать, монетизировать, заставим его работать. У вас есть шанс помочь мне понять, почему оно работает... И, возможно, вы обнаружите, что есть другой подход, который на самом деле позволяет ему работать ещё лучше».
Стивен Кларк — космический репортёр Ars Technica, освещающий деятельность частных космических компаний и мировых космических агентств. Стивен пишет о взаимосвязи технологий, науки, политики и бизнеса на планете и за её пределами.
Источник: arstechnica.com
Автор: Стивен Кларк
Дата: 9 сентября 2025
Перевод: Андрей Климковский
Комментарии
Отправить комментарий