Почему ракета SpaceX Falcon 9 делает переворот на 180° при входе в атмосферу?

Гоббс уже показывал вам схему запуска Falcon 9, так что повторяться не буду.

Примечание. Этот ответ не претендует на полное научное рассмотрение предмета. Я сознательно и намеренно упрощаю, приукрашиваю и игнорирую вещи в нескольких местах, чтобы объяснить это таким образом, который, надеюсь, имеет смысл для ОП, но при этом остается достаточно правильным.

Существует распространенное заблуждение, что пространство просто «высоко». Нет, это не так. Вы можете довольно легко выйти на орбитальную высоту, и если вы ничего не сделаете, как только вы выключите двигатель, вы просто упадете обратно на землю. Это связано с тем, что, например, гравитационное притяжение Земли на высоте Международной космической станции составляет примерно 90% от гравитационного притяжения на поверхности.

Скорее космос (точнее в данном случае орбита) — это когда вы очень быстро движетесь вперед . На самом деле, вы должны двигаться вперед так быстро, чтобы ваш поступательный импульс совпадал с нисходящим импульсом, создаваемым гравитацией. Чтобы выйти на устойчивую низкую (несколько сотен километров) орбиту вокруг Земли, вам нужно двигаться вбок со скоростью где-то в диапазоне от 7000 до 8000 метров в секунду . Это называется орбитальной скоростью, и его значение становится ниже по мере удаления от центрального тела (поскольку гравитационное влияние центрального тела падает пропорционально квадрату расстояния). Если вам сложно представить, насколько это быстро, учтите, что МКС, находящаяся на низкой околоземной орбите (высота около 400 км), совершает один оборот вокруг Земли каждые 90 минут. Орбита Земли вокруг Солнца работает таким же образом, за исключением того, что Земля движется со скоростью около 30 000 м/с, чтобы совершить полный оборот вокруг Солнца примерно за 365 дней.

Таким образом, ракета тратит большую часть своей энергии, чтобы получить эту боковую скорость. Очевидно, что он тратит некоторую энергию на достижение нужной высоты, потому что высота и скорость неразрывно связаны в области изучения, которую мы называем орбитальной механикой , но подавляющее большинство тратится на набор скорости, а не высоты.

Орбита имеет значение, известное как ее эксцентриситет . Эксцентриситет орбиты — это, по сути, значение, указывающее, насколько она круглая. Совершенно круговая орбита имеет эксцентриситет = 0, а эллиптическая орбита имеет эксцентриситет в диапазоне$0 < e < 1$. Также допустимо иметь$e \ge 1$, но нам не нужно рассматривать эти случаи здесь (это траектории ухода , потому что они покидают гравитационное поле центрального тела). Идеально круговые орбиты - это в основном теоретическая конструкция, которая в большинстве случаев не существует в реальной жизни; все практические орбиты имеют по крайней мере небольшую ненулевую степень эксцентриситета.

Для орбит с очень низким эксцентриситетом и когда масса объекта на орбите намного меньше массы тела, вокруг которого он вращается (например, космический корабль на круговой орбите вокруг Земли), мы можем оценить период обращения$T$на основе

На Земле, если вы хотите замедлиться, вы можете просто перестать применять тягу вперед. Затем трение в конечном итоге (как правило, довольно скоро) приведет к тому, что ваше транспортное средство потеряет скорость движения вперед, и в конечном итоге оно так или иначе остановится. Это не зависит от конструкции вашего автомобиля; это может быть автомобиль, велосипед, самолет, вертолет или скаковая лошадь, и это не имеет значения.

В космосе нет (или, вернее, практически и в короткие промежутки времени ничтожно мало) трения. Следовательно, если космический корабль выключит свой двигатель, космический корабль просто продолжит движение по орбите, обусловленной его текущей скоростью и текущим положением в локальном гравитационном поле. В отличие от самолета, космический корабль может быть направлен буквально в любом направлении, и орбитальной механике все равно; в отличие от самолета, космический корабль не работает в какой-либо жидкой среде. Чтобы развернуться, изменить направление движения или остановиться в космосе, космическому кораблю необходимо приложить дополнительную тягу в каком-либо направлении , отличном от направления движения.. (Есть и другие способы, такие как гравитационные рогатки, но это в основном частный случай, и они в любом случае не применимы к запускам на околоземную орбиту.)

Такая тяга обычно, но далеко не всегда, применяется ретроградно . Ретроградность — одно из тех забавных словечек в ракетостроении и орбитальной механике; здесь это означает «напротив направления движения». В автомобиле это будет называться «задним ходом и с колесами, направленными прямо вперед».

Применение тяги частично или полностью ретроградно приводит к замедлению скорости космического корабля. Поскольку это означает, что он больше не может поддерживать свою текущую орбиту, он начнет падать в направлении преобладающего гравитационного поля, что в случае низкой околоземной орбиты и тяги для входа в атмосферу в конечном итоге приводит к тому, что космический корабль снова входит в атмосферу Земли как он падает на Землю. При меньшей тяге или при тяге в направлении, отличном от полностью ретроградного, это заставит космический корабль перейти на другую орбиту, которая может пересекать или не пересекать землю или атмосферу Земли. Изменение скорости, возникающее в результате этого толчка, мы называем дельта-v , от греческой буквы$\Delta$который в математике используется для обозначения разницы, и$v$который по соглашению является символом, связанным со скоростью. Изменение скорости, необходимое для перехода на другую орбиту, даже пересекающую Землю, обычно намного ниже, чем то, что требовалось для установления исходной орбиты; например, космический шаттл обычно находился на орбите, аналогичной орбите МКС, но ему требовалось всего около 90 м / с дельта-v под нагрузкой, чтобы совершить посадку . После совершения посадки у космического челнока не хватило мощности двигателя, чтобы вернуться на стабильную орбиту вокруг Земли.

Поскольку двигатели закреплены на одном конце космического корабля, а космический корабль обычно направлен вперед (в направлении движения) после того, как двигатели были выключены, космический корабль должен развернуться, прежде чем он сможет применить какую-либо значительную ретроградную тягу. Таким образом, он должен перевернуться. Поскольку в пространстве очень мало трения, оно может делать это неторопливо, практически не влияя на направление своего движения; в атмосфере транспортное средство, вероятно, начнет кувыркаться и, возможно, разобьется из-за аэродинамических сил, и самолету нужны особые условия, чтобы иметь возможность выполнять что-либо, напоминающее подобные маневры.

Остальное — просто сложный танец, чтобы заставить космический корабль медленно и безопасно приземлиться в подходящем месте на поверхности Земли. Фу. Это звучит совершенно просто .

Траектория первой ступени Falcon 9 :

Графика предоставлена ​​ZLSA Design (zlsa.github.io)

Как вы можете видеть, до того, как сработает наддув, ступень переворачивается, так что двигатели указывают направление движения. Когда двигатели запускаются, это замедляет сцену.

Эта траектория используется, когда ступень возвращается на стартовую площадку (и для некоторых ранних экспериментов, когда десантный корабль ASDS размещался близко к стартовой площадке). Для приземления на дальность до ASDS прожигание с ускорением пропускается. Ускоритель все еще должен перевернуться, поэтому двигатели направлены в направлении полета для входа в атмосферу.

Ракета запускается, сначала прямо вверх, чтобы выбраться из плотной части атмосферы, но очень скоро разворачивается, чтобы разогнаться горизонтально.

Орбита — это достаточно быстрое движение вокруг планеты (или источника гравитации), чтобы баланс центростремительной силы и гравитации был одинаковым.

Орбитальная скорость очень высока, порядка 18 000 миль в час. Таким образом, полезная нагрузка, чтобы выйти на орбиту, должна достичь этой скорости.

Когда первая ступень отделяется, она находится примерно в 60 километрах над землей, двигаясь со скоростью около 3000 км/ч. (Разные профили миссий SpaceX немного отличаются, поскольку миссия GTO требует большей производительности на первом этапе, чем легкая миссия LEO).

Для того, чтобы приземлиться, сцена должна была войти снова, что было ниже, но также замедлилось и потеряло скорость в 3000 км/ч.

В пустом состоянии (используется большая часть топлива и окислителя) масса ступени падает с 1,5 млн фунтов до 150-200 клб. Таким образом, тяга двигателя более эффективно передает импульс, работая на меньшую массу. Таким образом, они используют только три двигателя, чтобы замедлить его.

Когда есть достаточный запас (полезная нагрузка была достаточно легкой или орбита была достаточно легкой), они не только отменяли свою поступательную скорость (таким образом, переворот на 180 градусов), но и летели назад на расстояние, которое они уже преодолели, чтобы приземлиться обратно на землю во Флориде. (Или потенциально Ванденберг, или даже Бока-Чика в будущем).