Jak rakiety lądują z powrotem na Ziemi? Zaangażowana niesamowita technologia

Ocean to cmentarzysko rakiet. Gruz z tysięcy spalonych rakiet, satelitów i wahadłowców zaśmieca dno oceanu. Ponowne użycie rakiet oznacza mniej odpadów, mniejsze koszty i znacznie łatwiejszy powrót z miejsca docelowego.

Oglądanie lądującego statku kosmicznego i łatwego startu to coś, co widzieliśmy tysiące razy w filmach. Teraz widzimy to również w prawdziwym życiu. SpaceX z powodzeniem wystrzelił i wylądował ponad 50 rakiet, odkąd zaczęli próbować w 2015 roku.

Jak więc rakiety mogą lądować z powrotem na Ziemi? W tym artykule omówimy niesamowitą technologię, która kryje się za rakietami wielokrotnego użytku.

Wyzwania związane z lądowaniem rakiet

Rakiety do lądowania wiążą się z kilkoma wyzwaniami, nawet jeśli tylko częściowo nadają się do ponownego użycia.

• Paliwo: Aby uciec z ziemskiej atmosfery, rakieta musi uderzyć z niewiarygodną prędkością 17 500 mil na godzinę, zwaną inaczej prędkością ucieczki. Wymaga to kolosalnej ilości paliwa. Paliwem jest zwykle niezwykle drogi ciekły tlen. Do skutecznego lądowania rakiety potrzebne jest paliwo w rezerwie.
  instagram viewer
• Ochrona termiczna: Aby była możliwa do ponownego użycia, cała rakieta musi być wyposażona w ochronę termiczną, zwykle pozostawioną tylko tej części, która spadnie z powrotem na Ziemię. Zapobiega to uszkodzeniu lub zniszczeniu części rakiety przy ponownym wejściu w ziemską atmosferę. Dotyczy to również rakiety wycelowane w Marsa.
• Podwozie: Rakieta wymaga również podwozia. Musi być tak lekki, jak to tylko możliwe, zachowując jednocześnie wytrzymałość niezbędną do utrzymania masywnej rakiety (Falcon 9, jedna z rakiet SpaceX, waży 550 ton).
• Waga: Im cięższy jest statek kosmiczny, tym więcej potrzeba paliwa i tym trudniejszy będzie powrót. Puste zbiorniki paliwa zwiększają opór i wagę rakiety, dlatego zbiorniki paliwa są zwykle zrzucane i spalane w atmosferze. Co więcej, ochrona termiczna i podwozie zwiększą wagę.

Jak wspomnieliśmy, SpaceX poradził sobie z tym niesamowitym wyczynem wiele razy. Więc jaka jest niesamowita technologia kryjąca się za rakietami wielokrotnego użytku?

drukowanie 3d

Druk 3D jest rewolucjonizujące branże na całym świecie, nie tylko technologii rakiet. W rzeczywistości niektóre rakiety są teraz prawie w całości drukowane w 3D.

Jedną z zalet drukowania 3D jest to, że inżynierowie mogą wyprodukować mniej części. Części drukowane mogą być znacznie bardziej złożone i nie wymagają kosztownych i unikalnych narzędzi produkcyjnych dla każdej części. Obniża to koszt budowy rakiet i zwiększa wydajność procesu produkcyjnego.

Zbiorniki paliwa w druku 3D oznaczają, że nie potrzebujesz szwów w metalu — typowego słabego punktu, który może powodować problemy w rakietach. Kolejną ważną zaletą druku 3D jest możliwość wytwarzania części optycznych z lekkich materiałów, co zmniejsza całkowitą wagę rakiet.

Napęd wsteczny i prowadzenie

Aby rakieta mogła wylądować, ciąg wsteczny musi być większy niż ciężar rakiety. Musi być również wektorowana, co oznacza, że ​​ciąg jest kierunkowy i może być wykorzystany do stabilizacji opadania rakiety.

Aby napęd retro mógł ustabilizować rakietę, musi mieć bardzo dokładne informacje o pozycji, wysokości i kącie rakiety. Wymaga to zaawansowanych technologicznie systemów, które zapewniają dokładne pomiary w czasie rzeczywistym z bezpośrednim sprzężeniem zwrotnym do silników odrzutowych. Są to tak zwane systemy kontroli reakcji (RCS).

Systemy kontroli reakcji

RCS zapewnia niewielkie siły ciągu w kilku kierunkach, aby kontrolować wysokość i obrót rakiety. Weź pod uwagę fakt, że obrót może obejmować kołysanie, pochylenie i odchylenie, a RCS będzie musiał zapobiegać tym wszystkim jednocześnie, jednocześnie kontrolując opadanie rakiety.

RCS wykorzystuje kilka silników odrzutowych umieszczonych w optymalnej konfiguracji wokół rakiety. Głównym wyzwaniem związanym z pędnikami jest zapewnienie oszczędności paliwa.

Jednym z przykładów jest system rakietowy Merlin firmy SpaceX. Jest to zestaw 10 oddzielnych silników sterowanych przez potrójny nadmiarowy system sterowania. Każdy z 10 silników ma jednostkę przetwarzającą, a każda jednostka przetwarzająca wykorzystuje trzy komputery, które stale monitorują się nawzajem, aby drastycznie zmniejszyć ryzyko błędów.

Silnik Merlin wykorzystuje RP-1 (wysoce rafinowaną naftę) i ciekły tlen jako propelenty. Najnowsza wersja silnika może dławić (kontrolując ilość zużywanej mocy) do 39% maksymalnego ciągu, co jest niezbędne do kontroli na wysokim poziomie podczas lądowania rakiety.

Płetwy siatkowe

Płetwy siatkowe służą do naprowadzania rakiet wielokrotnego użytku, takich jak Falcon 9, do pozycji lądowania. Wynalezione w latach 50. płetwy siatkowe zostały użyte w kilku pociskach.

Płetwy siatkowe wyglądają jak tłuczki do ziemniaków, które wystają prostopadle z rakiety. Są używane, ponieważ umożliwiają wysoki poziom kontroli nad lotem rakiety przy prędkościach naddźwiękowych i naddźwiękowych. W przeciwieństwie do tego, tradycyjne skrzydła powodują fale uderzeniowe i zwiększają opór przy tych znacznie wyższych prędkościach.

Ponieważ płetwy siatkowe umożliwiają przepływ powietrza przez samą płetwę, ma ona znacznie mniejszy opór, podczas gdy rakietę można obracać lub stabilizować, obracając lub pochylając płetwę jak skrzydło, ale bardziej wydajnie.

Innym powodem, dla którego stosuje się kary siatkowe, jest to, że rakiety wielokrotnego użytku technicznie lecą do tyłu podczas lądowania. Oznacza to, że przód i tył rakiety muszą być dość podobne, aby można było nimi sterować w obu kierunkach.

Podwozie

Oczywiście rakieta wielokrotnego użytku będzie potrzebowała jakiegoś podwozia. Muszą być wystarczająco lekkie, aby nie zwiększać drastycznie ilości paliwa wymaganego do lotu i ponownego wejścia w powietrze, ale także wystarczająco mocne, aby utrzymać ciężar rakiety.

Obecnie rakiety SpaceX wykorzystują 4 nogi do lądowania, które podczas lotu są składane do ciała rakiety. Następnie rozkładają się one grawitacyjnie przed lądowaniem.

Ale Elon Musk stwierdził w styczniu 2021 roku, że w przypadku największej rakiety SpaceX w historii, superciężkiego wzmacniacza, będą chcieli „złapać” rakietę za pomocą ramienia wieży startowej. Zmniejszy to wagę rakiety, ponieważ nie będzie już potrzebowała nóg do lądowania.

Lądowanie w wieży startowej oznacza również, że rakieta nie będzie musiała być transportowana do ponownego użycia. Zamiast tego wystarczy go ponownie zamontować i zatankować tam, gdzie jest.

To nie wszystko

Rakiety od dziesięcioleci startują i latają w kosmos, ale ich bezpieczny powrót na Ziemię w celu ponownego użycia wymaga wielu przełomów technologicznych.

Nie mogliśmy omówić wszystkich niesamowitych technologii używanych w rakietach, które mogą lądować z powrotem na Ziemi, ale mamy nadzieję, że z tego artykułu dowiedzieliście się czegoś nowego! Technologia lotów kosmicznych szybko się rozwija i ekscytujące jest rozważenie, co może być możliwe w ciągu kilku krótkich lat.

Jak oglądać premiery SpaceX na żywo?

Chcesz złapać następny lot SpaceX w kosmos? Tutaj możesz obejrzeć kolejną premierę.

Czytaj dalej

O autorze