Интересное наблюдение по запуску Falcon Heavy

отметили
58
человек
в архиве

Я смотрю, в рамках холиваров вокруг FH, который взял и не взорвался на пусковом столе, а вполне даже что-то отправил на гелиоцентрическую орбиту (формально дальше, чем СССР за всю историю пусков, но об этом позже) одна из козырных карт у одной из сторон «а почему при заявленной массе полезной нагрузки в 60+ тонн FH пульнул всего одну Теслу весом в тонну?»

При попытке разобраться в ответе на этот вопрос выяснилась парочка интересных деталей.

Начнем с грузоподъемности FH в целом. На на сайте SpaceX она уканаза в 63.8 тонны на низкую орбиту(НОО), 26,700 на геопереходную и 16800 — на гомановскую отлетную к Марсу.

источник: s5.postimg.org

Однако на слайде презентации Маска прошлой осенью мы видим 30 тонн на НОО



Ага, ну правильно, это же «reuse», то бишь возврат ступеней на посадочные платформы. Правда не понятно, какой из многочисленных вариантов возвращения центральных блоков на наземные или морские площадки. Полезная нагрузка на НОО упала более чем вдвое, но на сколько уменьшилась полезная нагрузка на отлетной траектории? На форуме nasaspaceflight в свое время сделали оценку для более ранней версии FH

Здесь первая колонка — это наличие или отсутсвие перелива топлива между боковыми блоками и центральным, как мы знаем в итоге от этого вообще отказались. Вторая колонка «RTLS» — количество возвращающихся к старту ступеней, третья «ASDS» — садящихся на морских платформах. Т.е. наш случай — 4 строка. Выводимая к марсу ПН — 4 тонны. Поправочный коэффициент на выросшие с момента составления таблички характеристики FH можно взять из последней строки — там к марсу выводится 11 тонн, а на сайте 16,8, т.е. для текущей версии FH цифры таблицы надо умножить в 1,5 раза. Получается, что к Марсу должно было отправится 6 тонн, а отправилось порядка 1-1,5? Маловато.

На самом деле эта оценка слегка оптимистична. Разделение центрального блока и верхней ступени здесь предполагалось на скорости в ~3 км/с, см соответствующую симуляцию.

А в реальности оно произошло на скорости ~2,64 км/с.

источник: s5.postimg.org

Скорее всего в этой разнице между симуляцией и реальностью есть довольно интересный момент. Дело в том, что каждые недобранные последней ступенью при отделении сотни метров в секунду довольно больно аукаются на сокращении полезной нагрузки, она падает экспоненциально с ростом необходимой для добора скорости. Оптимально было бы отделять центральный блок заметно позже, при скорости, скажем, 4 км/с, вообще самая оптимальная ракета имеет примерно одинаковое распределение по набираемой каждой скоростью ступенью.

Однако сажать первые ступени на большой скорости очень сложно, если не невозможно. При запуске Falcon Heavy ставка явно делалась не на вывод максимальной ПН, а на охват тестом как можно больших сценариев, связанных с полетом ракеты — тут и возврат боковых блоков на землю, и посадка на морскую платформу (неудачная). Продолжая эту логику можно предположить, что скорее всего скорость отделения центрального блока не делали максимальной, для того, что бы посмотреть, как он поведет себя при возврате. Что, конечно же, сказалось на нагрузке.

Но что бы узнать точно, какую ПН мог бы вывести FH в этом полете, нужно знать конечную скорость, до которой была разогнана Тесла родстер. И ее можно узнатьисточник: pbs.twimg.com


Здесь показана итоговая траектория ПН, и там есть замечательная циферка С3 Earth (км^2/c^2) = 12.0 — это избыток скорости над второй космической скоростью (т.е. 11,2 км/c). Скорость, которую набирает ступень (Vpn) связана с второй космической (V2) и С3 довольно просто:

С3 = Vpn^2 — V2^2

В этом году должно было быть тесное сближение Земли и Марса, поэтому достичь (при старте в апреле-мае) можно с С3 7,7-7,9 км^2/c^2, и ПН Heavy на отлетную к Марсу считалась либо для этой цифры, либо для среднемноголетних С3=9.5. Немного об этом рассказано вот в этом видео:

Итого мы получаем следующие величины:

1. Скорость, набранная Тесла Родстером в запуске 6 февраля: Vpn = sqrt (11,19^2 + C3)=11,71 км/с  Скорость, набираемая Falcon Heavy для «стандартной» отправки ПН к Марсу должна быть 11,61 км/с, а для для этого года 11,53 км/с. К баллистической скорости надо добавить гравитационные потери — на глаз около 200 метров в секунду, полученная величина называется характеристической скоростью или delta V в западных терминах.

Теперь попробуем сравнить разницу в характеристической скорости, набираемой «стандартной отправки» груза к Марсу и запуска 6 февраля:

11,61 + 0,2 — 3 = 8,81 км/с <-> ступень должна выводить ~9 тонн
11,71 + 0,2 — 2,64 = 9,27 км/с <-> ступень вывела красную машинку с манекеном.

На самом деле здесь более менее строгие расчеты заканчиваются и начинаются зыбкие предположения. Например то, что скорость отделения верхней ступени FH при максимально жестких условиях спасения центрального блока может быть 3 км/с — эта цифра встречается в обсуждениях на форуме nasaspaceflight, но правду, конечно, знают только в SpaceX. Еще одной неопределенной величиной будут массы заправленной и пустой верхней ступени FH, которе тоже никогда не публиковались. Наконец масса запущенного родстера тоже неизвестна. Тем не менее, плюс-минус километр прикидку сделать можно, и оценить, какую же долю от полной ПН запускали 6 февраля.

Итак, для начала  формула Циолковского

V = I * ln (Mn/Mk), где V — это характеристическая скорость, I — удельный импульс (3355 м/с для Merlin 1D vac), Mn/Mk — отношение начальной массы к конечной.

Для V (8,81) Mn/Mk = 13,81
Для V (9.27) Mn/Mk = 15.85

На все том же  nasaspaceflight я нашел такие цифры для верхней ступени FH — масса заправленной 95,000 кг, масса отработавшей ступени — 3900 кг (цифры не совпадают с симуляцией выше). Для Mn/Mk=15.85 это дает максимальную массу ПН в запуске 6 февраля в 2093 кг, что лишь слегка больше родстера без аккумуляторов, но с переходником, передатчиком и маникеном. Вполне ожидаемый запас на неизвестные пока динамические нагрузки и т.п. А вот ПН при «стандартной» отправке к Марсу будет всего ~3000 кг вместо 6000 из оценок выше и это ожидаемо. Набирать 8-9 километров в секунду одной керосиновой ступенью, даже такой шедевральной с точки зрения соотношения пустого веса к весу заправленной, означает уничтожить почти весь вес ПН в пользу веса ступени.

Получается, что в такой конфигурации носителя, возможности FH по отправке чего-то на Марс довольно скромны — меньше, чем у Delta IV Heavy, Atlas V 541, Протон-М/Бриз-М и Arian V и определяется это крайне неоптимальным распределением характеристической скорости по ступеням. В запуске 06.02.2018 FH работал близко к пределу возможностей, если отталкиваться от реалистичности цифр сухого и полного веса верхней ступени, которые гуляют в интернетах.

источник: timedotcom.files.wordpress.com

Главный же вывод — Falcon Heavy еще не показал своих возможностей, и по следующим пускам можно будет собрать данные, которые хорошо позволят оценить реальные веса ступеней и более точно оценить возможности многоразового и одноразового варианта.

Добавил ramstor ramstor 11 Февраля
проблема (3)
Комментарии участников:
waplaw
+4
waplaw, 11 Февраля , url

Ещё там на видео есть момент, как мягкая обшивка (серебристая) последней ступени колышится в безвоздушном космическом пространстве.

manson
+3
manson, 11 Февраля , url

Кто-то вообще в видео машинки в космосе увидел водяные пузыри. Я как ни смотрел — не увидел. А колышится мягкая обшивка вполне возможно от истечения каких-то газов с самой ракеты. Вполне возможно они и после истечения из задней части ракеты в невесомости частично могут закручиваться по ходу движения. Так что это не показатель :-)

waplaw
+3
waplaw, 11 Февраля , url

А то, что она натянута как туристическая палатка на колышки, это нормально)))

manson
+2
manson, 11 Февраля , url

Таки туристическая натянутая палатка все равно спокойно колышится от не очень сильного ветерка, ибо площадь велика, а с какой скоростью истекают газы в космосе (быстро) и в каких направлениях (назад и частично как попало) мы не знаем. В смысле мы с вами. Они-то знают, потому и не постеснялись показать :-)

star17
0
star17, 11 Февраля , url

мы не знаем

 Не знаешь — не рассуждай тут вслух

manson
0
manson, 11 Февраля , url

Твое мнение нам очень важно. Аж кушать не мог, пока ты не пукнул тут

star17
0
star17, 11 Февраля , url

Дождался? Теперь кушай

dbond
+12
dbond, 11 Февраля , url

Нас небали, расходимся.

Stopor
+17
Stopor, 11 Февраля , url

Неувязочка.

источник: pbs.twimg.com



istinspring
+4
istinspring, 11 Февраля , url

там наверное насадки одевались еще сверху как ботинки. слишком гладкая поверхность.

vvsupervv66
+3
vvsupervv66, 11 Февраля , url

Вы почти угадали. На Луне слишком пыльно, поэтому и чтобы не тащить пыль внутрь корабля американцы русские галоши свободно оставляли при входе. Но вот незадача — голоши стали пропадать, и кто-то страшно выл по ночам, и где-то там в далеке что-то светилось. Поэтому программу пришлось резко свернуть, не смотря на «полную готовность» последнего полёта.

И всё же главное американцам до запуска нефте-доллара сделать удалось, а именно найти огромные средства на ядерную гонку вооружений и при этом не вылететь в трубу, а точнее не обрушить экономику США в связи с умопопрачительными расходами для получения оружейного урана.

Дело в том, что унция оружейного урана стоила гораздо дороже унции золота и золотом за уран платить вообще не хотелось (все результаты Второй мировой насмарку), но привязывать доллар к унции оружейного урана это было для американцев слишком и черезчур идеологически неоправданно для страны, которая должна нести во весь мир освобождение и демократию, да и своего урана на территории США тогда было маловато (то ли дело в СССР!) в отличие от награбленного золота от Второй Мировой войны. Следовательно страны поставщики урана для США могли просто заломить цену, что в свою очередь могло привести к новой напряженности внутри англо-саксонского мира или вообще к его расколу. Вобщем лунная программа США здорово выручила, да и Кеннеди уже никогда и ни чего не расскажет в назидание остальным.

Альтаир
0
Альтаир, 11 Февраля , url

источник: pp.userapi.com

Злобыня_Никитич
+4
Злобыня_Никитич, 11 Февраля , url

Так что? Если отдать Крым и весь дальний восток американцам, у Роскосмоса опять что-ли будет 60%?

v8
0
v8, 11 Февраля , url

а ты слышал какой долг у сша?

istinspring
+12
istinspring, 11 Февраля , url

это фэйк явный. европа меньше россии сделал 2017 где-то в 2 раза.



Альтаир
+4
Альтаир, 11 Февраля , url

Да,  фейк  — уточнил. 

Но суть в том, что такими темпами нас даже китай обгонит. 

В том году запустили почти столько же сколько и РФ 

Дело в том,  что конкуренция растет, цены снижаются, 

а роскосмос останется постепенно в прошлом,  если не подстроится под новую реальность. 

ЧАСТНАЯ американская компания запустила столько же ракет, сколько вся отрасль России. И при этом аварий не было. Частная компания запустила сверхтяжелую ракету

Это повод крепко задуматься, пока не поздно, а резводить словоблудие про незаменимые двигатели и батуты. 

KaperDonjon
+2
KaperDonjon, 11 Февраля , url

А еще можно все перетрахнуть и вообще остаться без запусков… Как поступили хохлы например.

Все время хохлы да хохлы, знаю, но из песни слов не выкинешь.

istinspring
+5
istinspring, 11 Февраля , url

как это не было аварий? были.

Альтаир
0
Альтаир, 11 Февраля , url

Какие у США запуски 2017 были проблемные? Не найду инфу.

Альтаир
0
Альтаир, 11 Февраля , url

Где там у США аварийный пуск ?

Красные названия — незаполненные стрраницы 

prisde
0
prisde, 11 Февраля , url

вверху написано

Красным цветом выделены неудачные запуски. Жирным выделены пилотируемые КА.

не видно вообще косяков за 2017ый у США

prisde
0
prisde, 11 Февраля , url

russian.rt.com/science/article/468422-ssha-sputnik-zuma-spacex

но нет подтверждения т.к спутник секретный и запуск полусекретный)

v8
-1
v8, 11 Февраля , url

источник: agonia-ru.com

manson
+4
manson, 11 Февраля , url

Частная только на словах. Амеры таким образом нашли способ уменьшить воровство денег. И то, что вы упираете на слово «частный», говорит о том, что на вас пропаганда-таки действует :-)

vvsupervv66
+3
vvsupervv66, 11 Февраля , url

Пока что многомиллиардный пиар, поскольку до реального освоения дальнего космоса ещё очень далеко, к тому же до сих пор нерешённую проблему с американским космическим туалетом (постоянно ломается) смогли решить с помощью манекена.

Вообще ситуация с высадкой американцев на Луну в свете решения гигиентических проблем астронавта во время длительного перелёта выглядет весьма смешно и обескураживающе. Дьявол как правило кроется в деталях, а именно эту деталь помимо эффектной высадки на Луну знаменитый американский кинематографист совсем не продумал.

Жизнь это совсем не Голливуд.

А где же не Голливуд? А в некоторых планах, для которых эта американская программа выстраивается. И это совсем не первостепенный план полёта на Марс, а вывод на околоземную орбиту спутников (или составных частей) нового поколения и сразу в огромном количестве, и скорее всего назначение этих спутников (или частей) в том числе в милитаризации околоземного пространства. Про «космический интернет» или связь нового глобального многоканального фотонного поколения говорить тоже можно и стоит, поскольку новый интернет не будет зависеть от глобальной международной сети на земле, следовательно ёё можно будет в любой момент обрушить.

vvsupervv66
+2
vvsupervv66, 11 Февраля , url

Малюсенькое дополнение к двум моим комментам. Тогда после лунной программы США запустили на мировую экономическую орбиту нефте-доллар, а сейчас запустят крипто-доллар по технологии блокчейн, которая подразумевает запись распределённого реестра на физических компьютерах или серверах. То есть — эти сервера физически доступны человеку или катастрофическому изменению климата. А теперь представьте, что сервера находятся в космосе, а внизу на земле произошла програмно-физическая доступность к наземным серверам или их забили и обрушили глобально тотальными постоянными обращениями. Старая техника на камнях даже 16 или 32-х ядерная не справится, а вот для фотонной при исключении физической доступности это не проблема.

istinspring
+2
istinspring, 11 Февраля , url

сервера в космосе? гг ну-ну

vvsupervv66
+1
vvsupervv66, 11 Февраля , url

Русские уже осуществили передачу информации многоканального интернета с помощью лазера в воздушном пространстве. Вас впереди ждут интереснейшие открытия. Кстати, посмотрите как во всём мире все «резко» перешли на цифру и на ультра-короткую несущую радио-волны, «забыв» о сверхдлинных радио-волнах. Кстати, и опят же супер длинная волна не обязательна должна быть в радио-диапазоне. Есть ещё световые волны и волны на границе световых и радиоволн, например — инфракрасное излучение.

Trin
0
Trin, 11 Февраля , url

И как там такие объемы тепла выводить?

vvsupervv66
0
vvsupervv66, 11 Февраля , url

Объёмы тепла или холода критичны для человека, а следовательно возникают вопросы конденсации. Здесь же полный вакуум и основная угроза для электроники это сильные магнитные поля. Но и эта проблема уже давно решена. Кстати, по поводу отвода тепла — всё что мешает, как правило при правильном использовании начинает помагать, обеспечивая электрообуродование дополнительным электричеством, поскольку в физике есть такое понятие и эффект, как термопара.

k-s
+3
k-s, 11 Февраля , url

Забыли главный момент — FH не предназначен для запусков к Марсу и Луне, он предназначен для вывода тяжелых спутников. На Марс должна летать BFR.



Войдите или станьте участником, чтобы комментировать