Landing Falcon-9: una mirada especializada

El invitado del blog de hoy es el ingeniero de cohetes Pavel Pushkin. A petición mía, comentó sobre el reciente aterrizaje de la primera etapa del cohete Falcon-9, y dio una evaluación experta de la condición del cohete de regreso, según las imágenes publicadas.

Pavel Pushkin, ex jefe adjunto del centro de diseño e investigación de FSUE GKNPTs im. M.V. Khrunicheva ". Ahora, el director general de CosmoCurs LLC , una startup rusa privada, que estableció el objetivo de crear un cohete turístico y una cápsula para competir por el mercado del turismo espacial con Virgin Galactic y Blue Origin. Pavel Pushkin ha estado desarrollando cohetes durante más de 10 años, participó en la creación del cohete Angara y ahora lidera el desarrollo de su propio cohete y nave espacial suborbital.


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Debería comenzar con el hecho de que no hay nada inesperado o sorprendente en el aterrizaje de la primera etapa del Falcon-9. Todo esto se ha calculado durante mucho tiempo, incluso en nuestro país. Sobre el tema de "Ascenso", se estaba elaborando la idea de crear misiles reutilizables con un aterrizaje reactivo de unidades de misiles, y en la oficina de diseño de Salyut propusieron la idea revolucionaria de no solo un aterrizaje reactivo en ese momento, sino también la formación de un circuito de retroalimentación con el regreso de la unidad de misiles al sitio de lanzamiento. Por lo tanto, estos estudios se han llevado a cabo durante mucho tiempo tanto en nuestro país como en los EE. UU. Al mismo tiempo, muchos demostradores de vuelo fueron desarrollados y probados en los EE. UU., Donde el más notable fue Delta Clipper», Que en el aire estaba haciendo prácticamente acrobacias aéreas seguidas de un aterrizaje exacto. En principio, los especialistas que realmente se dedican a problemas de reutilización conocen desde hace tiempo las capacidades de un esquema de aterrizaje reactivo y la pérdida de masa de carga útil a la que conduce este esquema de reutilización. Lo único que no se sabía era el costo de los trabajos de mantenimiento y reparación para llevar a cabo lanzamientos repetidos con una fiabilidad determinada. Al mismo tiempo, todavía había problemas en los EE. UU. Con el hecho de que, comenzando desde la costa este, la ruta corría sobre las aguas del océano, que en teoría es difícil de alcanzar. Pero como vemos, SpaceX tomó riesgos y comenzó a tratar de aterrizar el primer paso en una barcaza, que técnicamente es más difícil que aterrizar en tierra. Lo mas interesanteque cuando comencemos desde el Vostochny Cosmodrome no tendremos tales problemas con ningún acimut de lanzamiento, en todas partes hay una sola tierra. Si hablamos sobre el aterrizaje exitoso de la primera etapa Falcon-9, entonces SpaceX fue por costos de combustible adicionales para regresar la etapa al sitio de lanzamiento.

Entonces, ¿qué nos dice el video de aterrizaje de primera etapa Falcon-9? Obviamente, el aterrizaje fue exitoso y bastante preciso. Además, todos están interesados ​​en el estado en el que aterrizó el escenario y si se puede reutilizar. Veamos la foto inmediatamente después del aterrizaje:



La foto muestra que el escalón está nivelado, no se produjo el pandeo o la distorsión de la carcasa de los tanques. A primera vista, todo es muy hermoso e intacto, similar al servicio de un avión entre aterrizajes. Verdadero paso un poco ahumado. Una cosa interesante debe aclararse aquí. Este hollín no se debe al hecho de que la etapa de caída se quemó en la atmósfera, sino al hecho de que los motores se encendieron para disminuir la velocidad al ingresar a la atmósfera. Este frenado se realiza para reducir los flujos de calor que llegan al escenario (muy probablemente a las paredes de los tanques). Los flujos de calor dependen de la velocidad de vuelo aproximadamente en proporción a la velocidad en el cubo. Por lo tanto, el frenado en un 30% produce una disminución en los flujos de calor de aproximadamente tres veces. Según los cálculos, aproximadamente ese frenado fue durante el descenso de la etapa reutilizable Falcon-9.Así fue con este frenado que el hollín de los motores en marcha ahumaba todo.



Luego llegó la mañana y comenzó a trabajar con un paso. Lo más importante era ponerlo en la unidad de transporte y llevarlo al hangar para seguir trabajando. Fue interesante lo que haría SpaceX con los postes de aterrizaje. Y aparentemente subieron al escenario con una grúa y simplemente desconectaron los soportes. Es cierto que esto no es para nada simple, ya que el centro de comunicación superior es lo suficientemente alto y para su lanzamiento, se requiere trabajo a gran altitud con una grúa. También es necesario desconectar todas las comunicaciones, poner talones. Luego cuelgue el soporte con una grúa y colóquelo en el transportador o en un lugar de servicio temporal. Para evitar que el escalón cuelgue en el aire, se levantó al principio y se reorganizó a la estructura tecnológica. En teoría, la eliminación de los soportes durante los lanzamientos múltiples reales puede no ocurrir e incluso es aconsejable no hacerlo,solo necesitas doblarlos. Pero dado que la etapa de prueba de aterrizaje y lo más probable es que no vuele a ningún otro lado, la extracción de los soportes es un paso razonable.



En esta foto vemos un escalón colocado en una unidad de transporte sin soportes de aterrizaje. De esta forma, fue llevado al hangar para continuar trabajando.



En el hangar, vemos que las escotillas tecnológicas fueron retiradas del escenario para inspeccionar los motores y las comunicaciones en el compartimiento de cola. La línea de tanques divisores con un tanque de fondo ahumado es llamativa, luego la estructura es casi blanca y luego se vuelve hollín desde arriba. Justo en el fondo del tanque oxidante había escarcha. Lo más probable es que también se hollín con hollín, pero posteriormente se derritió y el hollín del vaso o la escarcha simplemente se cayeron.



Se puede ver que el hollín en el motor se ha asentado lo suficientemente apretado y será bastante difícil lavarlo. En principio, los especialistas en motores actualmente no pueden dar una respuesta significativa sobre el hollín. Cuando se realizan múltiples pruebas en un motor, a menudo no se limpia de hollín. Pero cuando se entrega al cohete y para la inspección visual, todo se limpia sin problemas. Al final, veamos qué hará con el hollín en los motores SpaceX. Los paneles de la pantalla inferior son removibles en principio y se pueden limpiar de forma autónoma. No está claro cómo SpaceX limpiará la sección de la cola; los motores pueden necesitar ser removidos. Al mismo tiempo, se requiere que se tomen en serio los problemas de limpieza de la superficie final del compartimiento de la cola.En vuelo, la llama del motor emite energía muy bien y el grado de oscuridad de la superficie puede ser crucial para no quemar la estructura. Si observa los compartimientos de cola de los bloques de vehículos de lanzamiento Soyuz, puede ver superficies brillantes desde el extremo e incluso desde el costado. Estas son láminas pulidas de titanio en el extremo de la unidad central y láminas de acero cromado en otros lugares. Las láminas se instalan sobre un sustrato de amianto.





A continuación, vemos el estado de la superficie cilíndrica de la primera etapa. Se puede ver que el revestimiento escalonado se ve seriamente afectado por los efectos de la temperatura y posiblemente del hollín. Cuando se calienta, el esmalte utilizado en el Falcon-9 comenzó a alejarse de la base, en parte voló y se convirtió en burbujas. Por cierto, la cobertura aquí actúa como un indicador. Se puede ver que hubo un ligero calentamiento, lo que no condujo a un cambio en el color del esmalte en las estructuras metálicas. Pero el estado del adaptador compuesto entre etapas es sorprendente. En principio, principalmente el esmalte comenzó a retroceder. Esto se debe al hecho de que la conductividad térmica del material compuesto es peor que la de los metales, lo que a su vez conduce al sobrecalentamiento del esmalte. Este esmalte debe ser restaurado. Son posibles reparaciones menores, así como repintado completo.Las personas con la visión más aguda pueden o no ver un cambio en el color del esmalte en un tono parduzco en el adaptador entre etapas, lo que además puede indicar un sobrecalentamiento del esmalte. El problema de la restauración del esmalte se puede resolver de una manera radical: simplemente no pinte el paso, que se utilizó con éxito en el vehículo de lanzamiento de Proton. Es cierto que se necesitan recubrimientos que protejan de manera confiable la estructura de la corrosión y la erosión durante mucho tiempo en condiciones de operación constante.que protegen de forma fiable la estructura de la corrosión y la erosión durante mucho tiempo en uso continuo.que protegen de forma fiable la estructura de la corrosión y la erosión durante mucho tiempo en uso continuo.

Como resultado, SpaceX estuvo muy cerca de responder la pregunta: qué problemas nos esperan al reutilizar bloques de cohetes de las primeras etapas de los cohetes. A primera vista, el paso reutilizable es adecuado. El problema con el hollín se resolverá mediante medidas estructurales y tecnológicas para simplificar la limpieza, o reemplazando radicalmente el queroseno con metano. A continuación, debe responder la pregunta sobre la idoneidad de los motores para vuelos múltiples. Según la experiencia, el diseño del motor seleccionado permite una larga vida de la estructura sin una caída en la confiabilidad. Según Elon Mask, ya han trabajado el motor para un recurso cuádruple para un uso diez veces mayor. Teóricamente, esto es suficiente. Nuevamente, como un problema grave, puede producirse hollín en el motor. Pero dado que SpaceX probó el motor durante más de 40 ciclos de vuelo, probablemente sepanque no es un problema, o están escondiendo algo. Es cierto que las pruebas a menudo difieren del vuelo real y pueden surgir problemas en los motores durante los vuelos reales. El recurso para el diseño del escenario es bastante trivial proporcionado por soluciones constructivas, y lo más probable es que los especialistas de SpaceX conozcan estas soluciones y probablemente las usen o ya las estén usando en la versión reutilizable. La reutilización de unidades y dispositivos se proporciona mediante métodos de diagnóstico automático y reemplazo en caso de falla. Así que esperaremos las pruebas de fuego y otros aterrizajes.El recurso para el diseño del escenario es bastante trivial proporcionado por soluciones constructivas, y lo más probable es que los especialistas de SpaceX conozcan estas soluciones y probablemente las usen o ya las estén usando en la versión reutilizable. La reutilización de unidades y dispositivos se proporciona mediante métodos de diagnóstico automático y reemplazo en caso de falla. Así que esperaremos las pruebas de fuego y otros aterrizajes.El recurso para el diseño del escenario es bastante trivial proporcionado por soluciones constructivas, y lo más probable es que los especialistas de SpaceX conozcan estas soluciones y probablemente las usen o ya las estén usando en la versión reutilizable. La reutilización de unidades y dispositivos se proporciona mediante métodos de diagnóstico automático y reemplazo en caso de falla. Así que esperaremos las pruebas de fuego y otros aterrizajes.



Antes de que pudiera terminar la revisión, apareció una nueva fotografía de la etapa reutilizable Falcon-9. Según la información disponible, el paso fue fotografiado durante el transporte a la plataforma de lanzamiento SLC-40 para la quema, que tendrá lugar el 14 de enero. Se puede ver que SpaceX no comenzó a limpiar la etapa de hollín. Existe la opinión de que de esta manera SpaceX muestra que esta es exactamente la etapa de aterrizaje sin reemplazar los elementos. Esta es una explicación bastante lógica. Pero si miras de cerca, puedes ver que el escalón se lavó un poco y el hollín brilla al sol. También es probable que hayan intentado limpiar los motores. Se puede ver que uno de los motores en el interior es ligeramente más blanco que el resto. Esto puede servir como evidencia de que querían limpiarlo de hollín, tal vez para pruebas. Como resultado, no está claro por qué el paso en hollín, específicamente, decidimos guardar,No es necesario limpiar en principio, o probado y fallado. Todos piensan que elegirán la versión más adecuada para ellos. Y estamos esperando la etapa de prueba en el stand, donde creo que habrá una nueva cantidad de información para pensar.

En conclusión, debe tenerse en cuenta que, sin nuestra experiencia y nuestra primera etapa de regreso o su análogo, solo podemos observar cómo es la situación con la reutilización de SpaceX y Blue Origin en fotografías y videos.

Pavel Pushkin .
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Source: https://habr.com/ru/post/es389101/