Landing Falcon-9: um olhar especializado

O convidado de hoje do blog é o engenheiro de foguetes Pavel Pushkin. A meu pedido, ele comentou sobre o recente pouso do primeiro estágio do foguete Falcon-9 e fez uma avaliação especializada da condição do foguete que voltava, de acordo com fotos publicadas.

Pavel Pushkin, ex-chefe adjunto do centro de pesquisa e design da FSUE GKNPTs im. M.V. Khrunicheva. " Agora, o diretor geral da CosmoCurs LLC , uma startup russa privada, que estabeleceu o objetivo de criar um foguete e uma cápsula para competir pelo mercado de turismo espacial com a Virgin Galactic e a Blue Origin. Pavel Pushkin desenvolve foguetes há mais de 10 anos, participou da criação do foguete Angara e agora lidera o desenvolvimento de seu próprio foguete suborbital e espaçonave.


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Deve começar com o fato de que não há nada inesperado ou surpreendente no pouso em jato do primeiro estágio do Falcon-9. Tudo isso foi calculado há muito tempo, inclusive em nosso país. No tópico “Ascent”, estava sendo elaborada a ideia de criar mísseis reutilizáveis ​​com um pouso reativo de unidades de mísseis, e no departamento de design de Salyut eles propuseram a ideia revolucionária de não apenas um pouso reativo na época, mas também a formação de um ciclo de feedback com o retorno da unidade de mísseis ao local de lançamento. Portanto, esses estudos são realizados há muito tempo em nosso país e nos EUA. Ao mesmo tempo, muitos demonstradores de vôo foram desenvolvidos e testados nos EUA, onde o mais notável foi o Delta Clipper», Que no ar estava produzindo acrobacias praticamente seguidas de um pouso exato do jato. Em princípio, especialistas que estão realmente envolvidos em questões de reutilização conhecem há muito tempo as capacidades de um esquema de aterragem reativo e a perda de massa da carga útil à qual esse esquema de reutilização leva. A única coisa que não se sabia era o custo do trabalho de manutenção e reparo para executar lançamentos repetidos com uma determinada confiabilidade. Ao mesmo tempo, ainda havia problemas nos EUA com o fato de que, partindo da costa leste, a rota percorria as águas do oceano, o que é teoricamente difícil de entrar. Mas, como vemos, a SpaceX assumiu riscos e começou a tentar dar o primeiro passo em uma barcaça, o que é tecnicamente mais difícil do que pousar em terra. O mais interessanteque, ao partir do cosmódromo de Vostochny, não teremos problemas com o azimute de lançamento - em todos os lugares há uma única terra. Se falarmos sobre o pouso bem-sucedido do primeiro estágio do Falcon-9, a SpaceX pagou custos adicionais de combustível para retornar o estágio ao local de lançamento.

Então, o que o vídeo do pouso do primeiro estágio do Falcon-9 nos diz? Obviamente, o pouso foi bem-sucedido e bastante preciso. Além disso, todos estão interessados ​​em que estado o palco chegou e se ele pode ser reutilizado. Vamos ver a foto imediatamente após o pouso:



A foto mostra que o degrau é nivelado, a flambagem ou distorção da carcaça dos tanques não ocorreu. À primeira vista, tudo é muito bonito e intacto, semelhante à manutenção de um avião entre pousos. Verdadeiro passo um pouco esfumaçado. Uma coisa interessante deve ser esclarecida aqui. Essa fuligem não se deve ao fato de o estágio de queda ter queimado na atmosfera, mas ao fato de os motores terem sido ligados para diminuir a velocidade ao entrar na atmosfera. Essa frenagem é feita para reduzir os fluxos de calor que chegam ao palco (provavelmente nas paredes dos tanques). Os fluxos de calor dependem da velocidade de vôo aproximadamente proporcional à velocidade no cubo. Portanto, a frenagem em 30% diminui o fluxo de calor em cerca de três vezes. Segundo os cálculos, aproximadamente essa frenagem ocorreu durante a descida do estágio reutilizável do Falcon-9.Então foi com essa frenagem que a fuligem dos motores em funcionamento fumou tudo ao seu redor.



Então chegou a manhã e começou a trabalhar com um passo. O mais importante era colocá-lo na unidade de transporte e levá-lo ao hangar para mais trabalhos. Foi interessante o que a SpaceX faria com os bastões de pouso. E eles aparentemente subiram o palco com um guindaste e simplesmente desconectaram os suportes. É verdade que isso não é nada simples, pois o centro de comunicação superior é alto o suficiente e, para sua liberação, é necessário um trabalho em grandes altitudes com um guindaste. Também é necessário desconectar todas as comunicações, colocar stubs. Em seguida, pendure o suporte com um guindaste e coloque-o no transportador ou em um local de serviço temporário. A fim de impedir que o degrau pairasse no ar, ele foi elevado no início e reorganizado na estrutura tecnológica. Em teoria, a remoção de suportes durante vários lançamentos reais pode não ocorrer e é até aconselhável não fazer isso,você só precisa dobrá-los. Porém, considerando que o estágio de teste no solo e provavelmente não voará para nenhum outro lugar, a remoção dos suportes é uma etapa razoável.



Nesta foto, vemos um degrau em uma unidade de transporte sem apoios de pouso. Dessa forma, foi trazido para o hangar para mais trabalhos.



No hangar, vemos que as escotilhas tecnológicas foram removidas do palco para inspecionar os motores e as comunicações no compartimento traseiro. A linha de tanques de divisão com um tanque de fundo defumado é impressionante, então a estrutura fica quase branca e depois fuligem novamente por cima. No fundo do tanque do oxidante estava geada. Muito provavelmente, também estava coberto de fuligem, mas posteriormente derreteu e a fuligem do copo caiu ou caiu.



Pode-se observar que a fuligem do motor se assentou suficientemente forte e será bastante difícil lavá-lo. Em princípio, os especialistas em motores atualmente não podem dar uma resposta significativa sobre a fuligem. Ao realizar vários testes em um motor, geralmente não é limpo de fuligem. Mas quando é entregue ao foguete e para inspeção visual, tudo é limpo para brilhar sem falhas. No final, vamos ver o que fará com a fuligem nos motores da SpaceX. Os painéis da tela inferior são removíveis em princípio e podem ser limpos de forma autônoma. Não está claro como a SpaceX limpará a seção traseira; talvez seja necessário remover os motores. Ao mesmo tempo, é necessário levar a sério o suficiente as questões de limpeza da superfície final do compartimento traseiro.Durante o vôo, a chama do motor emite energia muito bem e o grau de escuridão da superfície pode ser crucial para não queimar a estrutura. Se você olhar para os compartimentos de cauda dos blocos de lançamento da Soyuz, poderá ver superfícies brilhantes a partir do final e até de lado. São chapas polidas de titânio no final da unidade central e chapas de aço cromado em outros locais. As folhas são instaladas em um substrato de amianto.





A seguir, vemos o estado da superfície cilíndrica do primeiro estágio. Pode-se observar que o revestimento do degrau é seriamente afetado pelos efeitos da temperatura e possivelmente fuligem. Quando aquecido, o esmalte usado no Falcon-9 começou a se afastar da base, parcialmente voou e entrou em bolhas. A propósito, a cobertura aqui atua como um indicador. Pode-se observar que houve um ligeiro aquecimento, o que não levou a uma alteração na cor do esmalte nas estruturas metálicas. Mas o estado no adaptador entre estágios composto é impressionante. Em princípio, principalmente o esmalte começou a retroceder. Isso se deve ao fato de que a condutividade térmica do compósito é pior que a dos metais, o que, por sua vez, leva ao superaquecimento do esmalte. Este esmalte deve ser restaurado. São possíveis pequenos reparos e repinturas completas.Pessoas com visão mais aguda podem ou não ver uma alteração na cor do esmalte em um tom marrom no adaptador entre os estágios, o que pode indicar adicionalmente um superaquecimento do esmalte. O problema da restauração do esmalte pode ser resolvido de maneira radical - apenas não pinte a etapa, que foi usada com sucesso no veículo de lançamento Proton. É verdade que são necessários revestimentos que protejam a estrutura de maneira confiável da corrosão e erosão por um longo tempo em condições de operação constante.que protegem a estrutura de maneira confiável da corrosão e erosão por um longo tempo em uso contínuo.que protegem a estrutura de maneira confiável da corrosão e erosão por um longo tempo em uso contínuo.

Como resultado, a SpaceX chegou muito perto de responder à pergunta - que problemas nos aguardam ao reutilizar blocos de foguetes dos primeiros estágios dos foguetes. À primeira vista, a etapa reutilizável é adequada. O problema da fuligem será resolvido por medidas estruturais e tecnológicas para simplificar a limpeza ou substituindo radicalmente o querosene pelo metano. Em seguida, você deve responder à pergunta sobre a adequação dos motores a vários voos. De acordo com a experiência, o design do motor selecionado permite uma vida útil longa da estrutura sem uma queda na confiabilidade. De acordo com Elon Mask, eles já desenvolveram o mecanismo para um recurso quádruplo para uso dez vezes maior. Teoricamente, isso é suficiente. Novamente, como um problema sério, pode ocorrer fuligem no motor. Mas desde que a SpaceX testou o motor por mais de 40 ciclos de vôo, eles provavelmente sabemque não é um problema, ou eles estão escondendo algo. É verdade que os testes geralmente diferem do voo real e problemas nos motores podem surgir durante os voos reais. O recurso para o design do palco é trivialmente fornecido por soluções construtivas, e provavelmente os especialistas da SpaceX conhecem essas soluções e provavelmente as usarão ou já as estão usando na versão reutilizável. A reutilização de unidades e dispositivos é fornecida por métodos de diagnóstico automático e substituição em caso de falha. Então, vamos aguardar os testes de incêndio e outros desembarques.O recurso para o design do palco é trivialmente fornecido por soluções construtivas, e provavelmente os especialistas da SpaceX conhecem essas soluções e provavelmente as usarão ou já as estão usando na versão reutilizável. A reutilização de unidades e dispositivos é fornecida por métodos de diagnóstico automático e substituição em caso de falha. Então, vamos aguardar os testes de incêndio e outros desembarques.O recurso para o design do palco é trivialmente fornecido por soluções construtivas, e provavelmente os especialistas da SpaceX conhecem essas soluções e provavelmente as usarão ou já as estão usando na versão reutilizável. A reutilização de unidades e dispositivos é fornecida por métodos de diagnóstico automático e substituição em caso de falha. Então, vamos aguardar os testes de incêndio e outros desembarques.



Antes que eu pudesse terminar a revisão, uma nova fotografia do estágio reutilizável do Falcon-9 apareceu. Segundo as informações disponíveis, a etapa foi fotografada durante o transporte para a plataforma de lançamento do SLC-40 para queima, que ocorrerá em 14 de janeiro. Pode-se ver que a SpaceX não começou a limpar o estágio da fuligem. Há uma opinião de que, dessa maneira, a SpaceX mostra que esse é exatamente o estágio inicial, sem substituir os elementos. Esta é uma explicação bastante lógica. Mas se você olhar de perto, poderá ver que o degrau foi lavado um pouco e a fuligem brilha ao sol. Também é provável que eles tentaram limpar os motores. Pode-se ver que um dos motores internos é um pouco mais branco que o restante. Isso pode servir como evidência de que eles queriam limpar a fuligem, talvez para testes. Como resultado, não está claro por que a etapa da fuligem - especificamente, decidimos salvar,não há necessidade de limpar, em princípio, ou tentou e falhou. Todo mundo pensa que escolherá a versão mais adequada para si. E estamos aguardando a etapa de teste no estande, onde acho que haverá uma nova quantidade de informações para reflexão.

Em conclusão, deve-se notar que, sem nossa experiência e nosso primeiro estágio de retorno ou seu análogo, podemos apenas observar como é a situação com a reutilização da SpaceX e da Blue Origin em fotografias e vídeos.

Pavel Pushkin .
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Source: https://habr.com/ru/post/pt389101/