Какие технологические прорывы потребовались для посадки разгонных ступеней?

Продемонстрированная SpaceX способность посадки ракеты-носителя не является результатом прорыва, а скорее представляет собой набор небольших постепенных улучшений. Основным ограничением было финансирование и воля, чтобы это произошло.

В 1966 году беспилотный космический корабль приземлился на Луну на ракете по программе Surveyor . Он использовал (IIRC) три импульсных двигателя с фиксированным положением для управления его ориентацией и скоростью снижения. Это был относительно небольшой космический корабль (около 3 м в высоту и массой 300 кг), что упрощает задачу; его посадочные ноги были широкими, поэтому он мог оставаться устойчивым, если приземлился в неправильном положении. При более низкой гравитации Луны время отклика несколько менее критично, поэтому его можно рассматривать как «упрощенный режим» для автономных посадок ракет. Однако это доказывает, что для посадки достаточно базового радиолокационного высотомера, инерциальной платформы для определения положения космического корабля и простого контура управления.

В программе «Аполлон» этап спуска LM был лишь немного более сложным; двигатель с дроссельной заслонкой на карданной подвеске использовался для управления направлением и скоростью снижения, а подруливающие устройства меньшего размера использовались для управления ориентацией. Пилот-человек мог, в принципе, указать точку посадки, а затем позволить компьютеру выполнить остальную часть полета до приземления, но на практике каждый командир Аполлона брал на себя управление в полуручном режиме на высоте около 150 м, контролируя положение корабля и скорость снижения. Основным ограничением на этом этапе было то, что автономная система не могла узнать, падает ли она на плоскую землю или на груду валунов; радиолокационный высотомер представлял собой единый зонд с низким разрешением.

Посадка ракеты на Землю при гравитации, в шесть раз превышающей силу тяжести, требует более быстрой реакции управления: не обязательно более быстрого компьютера (вы можете справиться всего с несколькими тысячами операций в секунду; уравнения не такие уж сложные ), но таких вещей, как быстрая и точная дроссельные заслонки. Я мало что знаю об их истории, но полагаю, что такие вещи были доступны и в 1960-х годах. С другой стороны, при посадке на Землю гораздо проще организовать большую плоскую площадку для приземления!

Как упоминает @Dragongeek, СССР запустил космический шаттл « Буран » в 1988 году; его единственным полетом был беспилотный запуск на орбиту и возвращение на Землю. Он приземлился в крылатом горизонтальном полете, поэтому его нельзя напрямую сравнивать с Falcon 9, хотя проблемы наведения и управления аналогичны по сложности.

В 1993 году проект DC-X продемонстрировал автономную вертикальную посадку 12-метрового транспортного средства с ракетным двигателем с высоты 3 км. Конечно, у DC-X были некоторые проблемы, и в конечном итоге он был отменен из-за отсутствия финансирования, но не было никаких прорывов, которые нужно было делать. Как и Falcon 9, DC-X использовал несколько карданных двигателей с глубоким дросселированием в качестве основного средства управления полетом, дополненных аэродинамическими поверхностями и двигателями управления ориентацией, а также использовал GPS в своей системе наведения и управления.

Конечно, GPS очень помог при точной посадке; первая ступень Falcon знает свое местоположение через GPS и направляет себя к заданной точке в абсолютном пространстве - центру посадочной площадки или ASDS . Без GPS, который впервые был развернут в конце 1980-х годов, можно было бы разместить радиомаяк в точке приземления и зафиксировать его.

Возможно, ключом к успеху SpaceX было то, что неудачная многоразовая пусковая установка все еще может быть успешной одноразовой пусковой установкой. Создав коммерческую орбитальную пусковую установку, которую можно использовать в одноразовом режиме, и поэкспериментировав с посадкой за счет клиента, они существенно компенсировали затраты на НИОКР по посадке.

Современные алгоритмы компьютерного зрения позволили бы найти и нацелить плоскую посадочную площадку на другой планете или луне, что SpaceX, возможно, придется сделать для своих первых посадок на Луну или Марс. Эта технология является более поздней разработкой. Для получения карты местности из изображений с камер в режиме реального времени требуются довольно современные вычислительные мощности, но это не требуется для того, чем сегодня занимается SpaceX.

Одно технологическое улучшение, которое SpaceX действительно имеет по сравнению с НАСА эпохи Аполлона, — это компьютерная мощность, позволяющая выполнять полное моделирование во время проектирования.

Почитай про разработку двигателя Saturn V F-1 - им приходилось бороться с колебаниями в топливной системе и системе сгорания. Тогда они фактически запускали двигатель на стенде, каждый раз рискуя взорвать его, чтобы проверить идеи, которые они просчитывали с помощью логарифмических линеек. Сегодня они собирали данные одного или нескольких тестов, а затем запускали компьютерные симуляции (возможно, на настольных компьютерах, но NASA и SpaceX имеют доступ к некоторым здоровенным «мейнфреймам», когда это необходимо). В конце концов вам все равно понадобится живой тест, но не так много, и с умными людьми, создающими симуляции, большинство тестов будут «успешными». И, конечно же, сегодня несколько инженеров могут делать всю математику на ПК вместо того, чтобы нуждаться в командах инженеров с логарифмическими линейками. В SpaceX гораздо меньше инженеров, чем в НАСА во время Аполлона.

НАСА также мешала политика и конкуренция с требованиями ВВС, что повлияло на некоторые проектные решения в программе «Шаттл». SpaceX может делать все, что хочет, пока у Илона не закончатся деньги.

Наконец, мы стоим на плечах гигантов, которые были до нас. SpaceX не нужно было изобретать турбонасос, им просто нужно было его усовершенствовать. Математика ракетных сопел теперь хорошо известна, но особенности конструкции всегда можно улучшить. И т.д...

Ответ @RusselBorogove упускает из виду ключевое техническое достижение, которое делает возможными ускорители приземления, поэтому я добавляю этот ответ.

Все приведенные примеры «приземления» сводятся к решению задачи о перевернутом маятнике + задача наведения при отсутствии ограничений на вход управления. Проблема в том, что если вы действительно хотите посадить ракету-носитель орбитального класса, ваши ограничения сложны, и вы должны думать об оптимальности.

LM, Surveyor и DC-X продемонстрировали мягкую планетарную посадку; они не продемонстрировали оптимальную мягкую планетарную посадку. Хотя эти проблемы имеют некоторое сходство, они определенно несопоставимы. Решение проблемы мягкой планетарной посадки означает, что вы должны рассчитать запасы топлива для наихудших условий. Решение задачи оптимальной мягкой планеты означает, что вы можете рассчитать свои запасы топлива для наилучшего случая. Первый сбивает вас с толку, если у вас полный бак, а второй сбивает с толку, если у вас практически пустой бак. Решение первого тривиально; второе совсем не то.

Ключевой прорыв, сделанный SpaceX, — это создание алгоритма, который решает задачу оптимальной мягкой посадки, который имеет гарантированную сходимость (он всегда будет генерировать решение в течение определенного количества процессорного времени). Оптимизация использует метод внутренней точки (IPM), что означает, что более быстрые процессоры определенно помогают. Я не думаю, что IPM существовал в 60-х годах, и я полагаю, что большинство оптимизаторов определенно будут слишком дорогими в вычислительном отношении для микрочипов по сравнению с чем-либо до 2000-х годов (тем более, что поиск лучших оптимизаторов, которые используют меньше вычислительных ресурсов, все еще является очень активной областью исследований) . Вы не можете посадить ускоритель 1-й ступени, просто используя алгоритм проблемы мягкой посадки, потому что у вас закончится топливо до того, как вы достигнете пункта назначения (даже с оптимальными ускорителями мягкой посадки все еще заканчивается топливо перед посадкой).

Подробности алгоритма SpaceX для решения задачи оптимальной мягкой планеты.У ракетных двигателей есть ограничение на то, насколько сильно они могут быть загазованы (многие двигатели могут снизить обороты только до 40%). Это известно как невыпуклое ограничение, которое делает всю оптимальную задачу невыпуклой. Как известно всем специалистам по оптимизации, невозможно доказать глобальный минимум в невыпуклой задаче. SpaceX (хотя на самом деле Ларс Блэкмор, который отвечает за посадки в SpaceX) изобрел нечто, называемое выпуклостью без потерь. Этот алгоритм берет невыпуклую задачу низкой размерности и ставит ее в более высоком измерении, что делает проблему выпуклой в более высоком измерении, где для поиска глобального оптимума используется метод внутренних точек. Затем глобальное оптимальное решение в высокой размерности сокращается и применяется к орингальной невыпуклой задаче. Прочитать эту статьюесли вы хотите лучше понять овыпукление без потерь задачи оптимальной посадки.

В качестве примечания, SpaceX потратила годы на разработку этих алгоритмов с помощью испытательного транспортного средства с кузнечиком. Группе талантливых людей понадобилось несколько лет, чтобы придумать, как решить проблему посадки ракеты-носителя.

Я бы также добавил, что во время испытаний не было достаточной уверенности в ориентации только с помощью тяги азота. Только когда SpaceX добавила Gridfins, посадки начали работать. Gridfins великолепны, потому что они могут обеспечить управление ориентацией без использования массы, такой как газовая тяга.

TL:DR SpaceX решила задачу оптимальной мягкой планетарной посадки, которую решить гораздо сложнее, чем просто задачу мягкой планетарной посадки, которая стала настоящим техническим прорывом + Gridfins.

Добавляя к ответу Рассела Борогова , я бы также привел два дополнительных момента:

• На технической площадке двигатели спроектированы с учетом силовых посадок. Они могут быть оснащены необходимым оборудованием для легкого перезапуска в полете. Кроме того, Falcon 9 была первой ракетой, в которой использовалось 9 небольших двигателей, что позволяло совершать посадку с двигателем только на одном или трех двигателях, работающих с высокой эффективностью (в зависимости от конфигурации).

• Экономика тоже играет большую роль. SpaceX обеспечивает запуски достаточно дешево, чтобы клиенты были готовы летать на ракете, которая не использует все свое топливо для своей миссии. Они, в свою очередь, могут это сделать, потому что значительно сократили внутренние затраты. С другой стороны, программа «Аполлон» и так была достаточно дорогой, как и другие крупные проекты, такие как SLS. Можете ли вы представить, что произойдет, если кто-то предложит SLS на 30% больше, чем необходимо для доставки полезной нагрузки за счет налогоплательщиков для функции, которая может окупиться, а может и не окупиться?

  То же самое касается частных компаний, таких как ULA. Spaceflight не такое уж большое подразделение по сравнению со всем Boeing, и пока они могут продавать одну и ту же простую конструкцию снова и снова, им не нужно вкладывать в нее собственные деньги на разработку.

  Это также иллюстрируется ошибкой твердотопливного ракетного ускорителя. SRB невероятно дешевы в разработке и использовании несколько раз, но очень дороги в долгосрочной перспективе — ускорители на шаттле стоят около 50 миллионов долларов за запуск. Atlas V имеет до 5 ускорителей по 10 миллионов долларов каждый, что почти столько же, сколько полностью многоразовый Falcon 9. Однако эти конструкции были выбраны из-за небольшой первоначальной стоимости, и заказчик готов платить за них при каждом запуске.

Какие технологические прорывы потребовались для посадки ракет?

Парашюты.

А существовали они с 19 века.

Другие ответы относятся к вертикальной посадке разгонных ступеней с двигателем, но посадка ракет с парашютами производилась с самого начала космической гонки. Я чувствую, что парашюты заслуживают здесь упоминания, поэтому позвольте мне процитировать https://www.nasa.gov/missions/research/f_sounding.html :

С 1959 года спонсируемые НАСА космические исследования и исследования в области наук о Земле используют ракеты-зонды для проверки [...]

В большинстве случаев после того, как полезная нагрузка снова вошла в атмосферу, ее осторожно опускают на Землю с помощью парашюта, а затем извлекают. Восстановив части полезной нагрузки, его можно отремонтировать и снова запустить в полет, что приведет к огромной экономии.

Восстановление ступеней ускорителя также было выполнено с некоторой степенью успеха. Позвольте мне процитировать https://www.nasa.gov/sites/default/files/files/5.pdf :

Первая подсистема замедлителя, которая включала в себя сгруппированный узел из трех основных парашютов, узел тормозного и пилотного парашютов, а также тензодатчики и фитинги, прибыла в ноябре 1978 года для установки в первый собранный SRB.

[...]

После успешного запуска STS-1 в ходе послеполетной оценки были выявлены три существенные проблемы, связанные с возможностью повторного использования оборудования SRB: структурная целостность кольца задней юбки, внутренние температуры входа в атмосферу задней юбки и проникновение соленой воды электрического кабеля.

[...]

Первым запланированным полетом с отремонтированным оборудованием (кроме парашютов) был STS-7 с использованием оборудования STS-3; парашюты должны были перелететь на STS-4.

Так что к 1983 году (может быть, даже раньше, я не проверял всю документацию) программа шаттлов НАСА уже приземлялась, восстанавливала и ремонтировала разгонные ступени. Технология уже была.

Стоит отметить, что восстановленные ступени SpaceX также проходят ремонт после приземления. Но должно быть очевидно, что приземление с парашютом означает больше повреждений (и более высокие затраты на ремонт, и меньшее количество уцелевших частей, пригодных для повторного использования), чем механизированная, вертикальная, управляемая посадка.

Я также хотел бы упомянуть испытание на высадку на Луну Ansari X-PRIZE и испытание Lunar Lander Challenge . Разработки сыграли важную роль в обеспечении точного управления подъемами / спусками с электроприводом.

В другом ответе Рассел Борогов справедливо отмечает, что для приземления не требуется никакого технологического прорыва, а вместо этого является просто постепенным улучшением.

Большая часть космических технологий оставалась неизменной с середины 1960-х годов до настоящего времени, но очень небольшая часть была включена в моду обратного проектирования, чтобы заставить ракету приземлиться обратно на поверхность или океан.

**в 0:02/0:08: используется «Боковая тяга», которая поворачивает его вправо.

в 0:03/0:08 : Он не может двигаться дальше вправо.

в 0:04/0:08 : введена полная тяга, чтобы обеспечить правильную скорость для направления вправо.**

Теперь этот метод был обнародован в конце 2010 года, и эта практика применяется в России с конца 2002 или 2003 года.

Илон Маск и SpaceX повторно использовали «боковые тяги» русских в своих посадочных ракетах, и после нескольких испытаний ракета приземлилась обратно, просто добавив небольшой шаг в обратном инженерном стиле.

Далее Рассел Борогов подробно остановился на компьютерном зрении. Но реально тут нулевой прорыв и 100% копипаста из смежных дисциплин ракет и ракет.

Теория управления не имеет глубоких применений в космосе Илона Маска, но то, что они делают, это копирует/вставляет из других стран союзные или основные дисциплины и проводит эксперименты, чтобы сохранить успех в глазах общественности, и все, что они показывают публике, было хорошо опробовано другими странами. намного раньше.

Я читал, что первые ступени ускорителей Soyez настолько прочны, что иногда их можно использовать повторно после аварийной посадки на землю. Если это так, то одним из очень простых способов сделать многоразовые ракеты-носители было и остается просто перестроить их и сделать их намного прочнее, чем необходимо, что сделает их менее эффективными и неспособными запускать тяжелые полезные нагрузки, но их можно будет повторно использовать с небольшими усилиями.

Другой метод, используемый в течение длительного времени, — это парашюты. Сочетание парашютов с прочностью могло привести к созданию многоразовых ускорительных ступеней на раннем этапе.

Ракеты-носители Pegasus запускаются с самолетов, первый запуск состоялся в 1990 году, и выводят на низкую околоземную орбиту небольшие спутники.

https://en.wikipedia.org/wiki/Пегас_(ракета) 1

https://www.nbcnews.com/mach/innovation/billionaire-rolls-out-ginormous-rocket-launching-airplane-n766996 2

Самолеты, конечно, обычно предназначены для многократных полетов, поэтому такие самолеты считаются многоразовыми первыми ступенями.

Рокун — это небольшая звучащая ракета, запускаемая с метеозонда. Конечно, воздушные шары не восстанавливаются и не используются повторно, но метеорологические шары дешевы. Rockoons были запущены еще в 1955 году.

Совсем недавно компания JP Aerospace разработала и использовала роконы как часть своих планов выхода в космос. Кроме того, Государственный университет Айовы и Университет Пердью (Purdue Orbital) запустили программы по разработке роконов[7][8], а недавно компания Leo Aerospace из Лос-Анджелеса и румынская космическая компания ARCASPACE проделали значительную работу. Испанская компания zero2infinity планирует в 2018 году запустить тороидальную ракету с воздушного шара под названием Bloostar для доставки микроспутников на низкую околоземную орбиту. Британская базовая компания B2Space разрабатывает концепцию запуска малых спутников на низкую околоземную орбиту [9]. Stofiel Aerospace также планирует запустить спутники Cubesat с помощью своей системы Hermes Rockoon.

https://en.wikipedia.org/wiki/Рокун 3

Обратите внимание, что дирижаблем можно управлять, хотя ни один дирижабль не достиг таких высот, как воздушные шары.

Длинная гусеница на земле с ракетными салазками могла ускорить ракетоплан и, таким образом, дать ему преимущество в достижении орбитальной скорости. Таким образом, гусеницу и салазки ракеты можно было считать многоразовой первой ступенью.

Ракетные салазки меньшего размера использовались для испытаний оборудования еще в 1954 году в США, и ходят слухи, что немцы использовали ракетные салазки для запуска ракеты 16 марта 1945 года.

https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_sled 4

Таким образом, кажется возможным, что многоразовые ускорительные ступени можно было бы разработать десятилетия назад, если бы для этого хватило желания.