Невдача Falcon 9: Експерти розповіли, чому так складно посадити ракету

Для цього потрібно поглянути на процес посадки ракети з точки зору фізики.

Після успішного запуску капсули підтримки "революційна" ракета Falcon 9 від SpaceX спробувала приземлитися на баржу в море. Посадка не вдалася.

Портал Wired наочно пояснив у чому складність посадки ракети.

Для цього потрібно поглянути на цей процес з точки зору фізики. Слід враховувати, що мова йде про загальні фізичні принципи, а не технічні деталі посадки ракети.

Людство висаджувало кілька космічних апаратів на Місяць у ході місій "Аполлон". Здійснити таку посадку набагато легше, ніж Falcon 9, адже у місячного модуля є ракета знизу, а обертається він за допомогою інших двигунів збоку.

У Falcon 9 є ракетний двигун знизу, і він використовується як для руху ракети, так і для її обертання. Тому маневрувати Falcon 9 трохи складніше (крім того, на Місяці гравітаційне поле набагато менше).

Три маневри для ракети

Ракета Falcon 9 може робити три речі, використовуючи головний двигун:

1. Вертикальне прискорення: корисне для уповільнення ракети, щоб вона не розбилася.

2. Горизонтальне прискорення: використовується для зміни горизонтальної швидкості ракети. Це корисно для зміни горизонтального положення ракети, щоб вона могла сісти на баржу в океані.

3. Кутове прискорення: воно змінює обертальний рух космічного апарата щодо центру маси. Це корисно у випадку, якщо ракета сідає у вертикальному положенні.

Малюнок: Wired

Наприклад, ракета Falcon йде на посадку і в неї є деяка горизонтальна швидкість. Для того щоб сповільнитися для безпечної посадки, ракета повинна рухатися в протилежному напрямку. Ось що відбувається.

Щоб прискоритися вправо, ракета змінює кут. Але оскільки ця сила тяги не діє в лінії, яка проходить через центр мас, виникає крутний момент, який змінює обертальний рух корабля. Слід додати той факт, що потрібно завжди змінювати значення тяги, щоб прискорювати ракету вгору і вниз.

Посадити таку ракету вкрай складно. Щоб краще зрозуміти це, можна спробувати балансувати з вертикально встановленою шваброю (або іншою довгою палицею) на руці, просто встановивши на неї один кінець об'єкта. При цьому потрібно перестати рухатися.

Фото: Rhett Allain

У цьому прикладі дійсно можна зупинити швабру, і вона не впаде. Але у випадку з ракетою, потрібно одночасно зупинити її і утримувати вертикально до кінця.

Чому б не використати іншу конструкцію ракети?

Розглянемо декілька ракетних конструкцій. По-перше, є Falcon 9. По-друге, є пласка конструкція, яку буде вельми просто посадити – щось на зразок місячного посадкового модуля.

Мал. Wired

"Легким модулем" буде набагато простіше управляти. По-перше, він не високий і не тонкий, як Falcon 9. Центр маси розташований ближче до основних двигунів, тому вони не будуть провокувати появу крутного моменту, який потрібно буде змінювати обертовими рухами.

Крім того, у нього є кілька двигунів, тому в ньому можна варіювати тягу, щоб створити нульовий крутний момент. Також, в цій конструкції є бічні двигуни. Можна змінити горизонтальний рух "легкого модуля" навіть не розгортаючи космічний апарат.

Хоча "легкий модуль" легше посадити, він не функціональний, як Falcon 9.

Falcon 9 не спроектована для приземлення на баржу в океані (хоча намагається). Ракета спроектована, щоб запускати корисний вантаж на орбіту. Це її основна функція, з якою "легкий модуль" не впорається ніяк.

Ракети високі і тонкі, тому зустрічають менше опору повітря в міру прискорення через атмосферу. Чим менше площа поперечного перерізу передньої частини ракети, тим нижче опір повітря.

Щоб "легкий модуль" запустив корисний вантаж в космос, він повинен мати набагато більше палива, щоб компенсувати великий опір повітря. Але з великою кількістю палива знадобиться велика ракета, яка зажадає ще більше палива. Під час запуску ракети кожен грам має значення.

Таким чином, зрозуміло, чому зробити ракету для запуску корисного вантажу на орбіту і одночасно для благополучної посадки на баржу в океані досить важко.

Нагадаємо, 10 січня Ракета Falcon 9 успішно вивела на орбіту космічну вантажівку Dragon. Перший ступінь після відділення повинен був приземлитися на велику платформу, встановлену в океані біля узбережжя Флориди. В майбутньому планується використовувати перші ступені Falcon 9 вдруге.

Проте її посадка виявилася невдалою.