ArsTechnica dziś opublikowała niezwykle ciekawy artykuł o tym czego się SpaceX nauczył o osłonach termicznych w czasie ostatniego lotu Starship. Nauczyli się także czegoś nowego o boosterze ale o tym za chwilę.
Najpierw o osłonach – w wielkim skrócie można całe doświadczenia SpaceX zdefiniować jako „konstruktorzy Promów Kosmicznych nie byli wcale głupi”. Okazuje się że metaliczne osłony termiczne się do niczego nie nadają niezależnie od tego czy są aktywnie chłodzone czy nie. Problemem jest tlen a konkretnie zjonizowany tlen który powoduje błyskawiczne utlenianie się takowych płytek. Przetrwać może wyłącznie coś, co się nie utlenia. W sumie ciekawe czemu nie próbują użycia stopów które np. używa się w silnikach rakietowych – tam w końcu też jest gorący tlen a metal chroni przed nim szczelna warstwa tlenków na jego powierzchni. Może próbowali ale temperatury były zbyt wysokie i ta warstewka nie dawała wystarczającej ochrony? Trudno powiedzieć. W każdym razie ten piękny, rudy kolor to właśnie tlenki powstałe w wyniku szybkiego utleniania się kilku metalicznych płytek.
Okazuje się także że konstruktorzy Space Shuttle mieli rację wypełniając szczeliny pomiędzy płytkami – SpaceX spróbował co będzie jak się ich nie wypełni, ale pod spód da się ablacyjną osłonę termiczną pożyczoną z Dragona. Jak popatrzycie na zdjęcie Starship to cały jego czub jest biały – właśnie dlatego że gorąca plazma pchała się bezczelnie pomiędzy płytki i powodowała ablację tej osłony termicznej pod spodem. Jednak jest nadzieja – w ramach eksperymentu zainstalowano kilka płytek na sześciokątach materiału uszczelniającego – sam proces instalacji płytek jest znacznie trudniejszy w takiej sytuacji bo po ich zainstalowaniu trzeba obciąć nadmiar tego materiału, ale podobno ten test się świetnie udał i w miejscu gdzie użyto tego materiału nie ma śladów żeby osłona ablacyjna pod spodem została użyta. Wygląda na to że tym będzie rozwiązanie jakie przetestują w następnym locie – zainstalują wszędzie ten nowy materiał pod / między płytkami i już nie będą robić eksperymentów z metalicznymi.
Wygląda że lot 11, poza poprawionymi osłonami termicznymi nie będzie miał wielu nowych technologii. SpaceX chce przede wszystkim osiągnąć bezproblemowy lot. Trajektoria ma być bardzo podobna do lotu #10 – nadal suborbitalna. Start w październiku. A potem przerwa do przyszłego roku (choć podobno Musk ciśnie by lot był jeszcze w grudniu) i lot #12 który będzie pierwszym lotem Starship V3. Ma on być także suborbitalny. Jeżeli pójdzie on bezproblemowo, to #13 będzie pierwszym lotem orbitalnym. I prawdopodobnie także pierwszym lotem gdy będą próbowali złapać Starship, jednak celem jest złapanie go najpóźniej w locie #15, więc może się okazać że #13 będzie wodował u wybrzeża Boca Chica wzbudzając niezadowolenie „obrońców przyrody” z Meksyku. A potem to już z górki – wystarczy tylko osiągnąć duże tempo lotów (celem jest lot Starship w 24 godziny po wylądowaniu), opanować transfer dużych ilości ciekłego tlenu i metanu na orbicie i już można lecieć na Marsa. A po drodze wysłać tysiące Starlink V3 – w końcu SpaceX kupił pasmo częstotliwości za więcej kasy niż do tej pory kosztował cały program Starship i trzeba jak najszybciej zacząć na tym zarabiać.
No I ciekawostka o boosterze – w czasie zarówno testów w tunelu aerodynamicznym jak i wszelkich, super skomplikowanych symulacji wychodziło SpaceX że booster będzie poddany niestabilnemu [i tu nie wiem jak przetłumaczyć buffeting – trzepotaniu?] w czasie zmniejszania prędkości z naddźwiękowych do poddźwiękowych. I opanowanie tego będzie trudne – spędzono sporo czasu pracując nad tym jak opanować to zjawisko i nie dopuścić do utraty kontroli nad boosterem. A tu okazuje się że to zjawisko nie pojawia się w czasie lotu. I w tym momencie nikt nie wie dlaczego. Jeżeli uda się zrozumieć brak tego zjawiska, to możliwe że następne wersje boostera mogą mieć mniejsze tarki (to że będą miały trzy zamiast czterech już wiemy), ale pewnie zanim nie będzie wiadomo dlaczego akurat nie wystąpiło ono w poprzednich lotach, to trzeba będzie być przygotowanym na to że może się pojawić w jednym z następnych. W sumie ciekawe że coś, co zarówno testy w tunelu aerodynamicznym jak i symulacja przewiduje nie następuje w czasie samego lotu. Pewnie jedno i drugie nie bierze pod uwagę czegoś ważnego – może gorących gazów na dole rakiety? Może wentylowanego tlenu i metanu by utrzymać ciśnienie w zbiornikach?
Cóż, fajnie że eksperymentują, a jednocześnie szkoda że te metaliczne osłony termiczne nie zdają rezultatu. Zastanawiam się dlaczego i jaki ma to np. wpływ na plany Stoke Space (gdzie osłona termiczna jest metalowa). A jednocześnie to potwierdza moją teorię że od ceramiki nie ma ucieczki, kluczowe jest zaprojektowanie płytek tak by były możliwie trwałe przy jednocześnie możliwie niskiej przepuszczalności ciepła i możliwie łatwym sposobie wymiany uszkodzonych.
Takie szybkie kompendium osłon termicznych – co, po co i dlaczego:
Najpierw dlaczego – trzeba się jakoś pozbyć energii jaką ma poruszający się na orbicie pojazd. Teoretycznie można by to np. zrobić zużywając paliwo, ale taniej jest wykorzystać atmosferę Ziemi do tego (choć Stoke Space ma trochę inną opinię na ten temat). Meteoryty pokazują nam że nie jest to łatwe – wchodząc w atmosferę pod niewłaściwym kątem temperatury jakie powstają w wyniku sprężania powietrza przed obiektem są tak duże że nie istnieją materiały które były by w stanie je wytrzymać. Dlatego trajektoria z jaką wchodzi w atmosferę pojazd kosmiczny jest bardzo dokładnie planowana – odpowiednio ją dobierając można zmniejszyć maksymalne temperatury (a także przeciążenia działające na obiekt) kosztem zwiększenia czasu w którym te temperatury działają na obiekt.
Czas działania to następny z ważnych parametrów. Nie ma osłon które nie przepuszczały by energii. W związku z czym część energii jest absorbowana przez obiekt co zwiększa jego temperaturę. No i jeżeli za dużo energii zostanie zabsorbowane to np. coś może zmięknąć a potem odpaść, białkowe obiekty w środku mogą się ugotować itp. Firma Stoke Space zamierza pochłaniać część z tej energii w paliwo i utleniacz – w ten sposób dostaną za darmo źródło energii do pompowania tegoż do komory spalania. Tak napędzany silnik rakietowy będzie miał bardzo duży ISP, bo nie będzie musiał marnować paliwa do pompowania a jednocześnie użycie paliwa do pochłaniania energii pozwoli na wzięcie ze sobą mniejszej masy osłon termicznych. SpaceX planował takie pół-rozwiazanie czyli używanie paliwa i utleniacza do pochłaniania części energii, ale potem wywalanie ich za burtę zamiast spalania w silnikach, ale w trakim wypadku bilans masy i energii jest niekorzystny i jednał lepiej użyć ceramicznych płytek które przepuszczają mniej energii. Poza tym ceramiczne płytki mają większą temperaturę topnienia co pozwala na bardziej radykalne trajektorie – zwiększające temperaturę ale skracające czas.
Ostatni element całej układanki to sama osłona termiczna. Na początku lotów osłony były metalowe – wielkie i ciężkie bloki stali które były tak duże że były w stanie zaabsorbować całe ciepło powstałe w wyniku wejścia w atmosferę – zewnętrzna warstwa się topiła i parowała, ale stali było na tyle dużo że to co było schowane przeżywało bez jakiegoś znacznego wzrostu temperatury.
Potem ktoś popatrzył na to i zauważył że ta warstwa gazowej stali to całkiem dobry izolator. I może zamiast stali dać coś, co będzie produkowało dużo gazu i tworzyło taką właśnie warstwę izolacyjną? I powstały osłony ablacyjne które znamy z kapsuł załogowych (włącznie z Dragonem) – w czasie wejścia w atmosferę na ich powierzchni wytwarza się dużo gazu który tworzy poduszkę izolującą resztę kapsuły od plazmy (a konkretnie to ten gaz jest nieprzeźroczysty dla promieniowania IR). Zaleta – takie osłony są dość dobrze znane i co więcej umiemy je zrobić dla pojazdów wracających na Ziemię z prędkościami znacznie większymi niż te na niskiej orbicie – czyli dla kapsuły wracającej z Księżyca czy z Marsa. Ale wadą jest „jednorazowość” (choć Dragon potrafi użyć tej samej osłony kilka razy) + chropowatość co uniemożliwia użycie jej na powierzchniach aerodynamicznych.
Dlatego Prom Kosmiczny miał zupełnie nową jak na tamte czasy technologię – ceramiczne płytki. Działają one w bardzo prosty sposób – po prostu przepuszczają bardzo mało energii. W ten sposób pilnując by trajektoria pojazdu była taka żeby maksymalne temperatury nie przekroczyły temperatur topnienia powierzchni płytek daje się zbudować pojazd z aluminium który po wylądowaniu jest na tyle chłodny że trzyma się kupy. Oczywiście tylko w lotach na niską orbitę Ziemi.
Starship wykorzystuje dokładnie tą samą technologię, tylko z kilkoma drobnymi modyfikacjami – jako że pojazd jest ze stali, to maksymalna dopuszczalna temperatura jest znacząco większa niż w przypadku promu kosmicznego. Zresztą masa także więc Starship może zaabsorbować znacznie więcej energii. A to oznacza że płytki mogą być „gorsze” (przepuszczać więcej energii kosztem np. mniejszej kruchliwości) i można w niektórych miejscach wcale ich nie zakładać. W sumie ciekawe jak rozwiążą kiedyś problem białkowych organizmów siedzących w środku, ale to osobna sprawa.
Osłony metaliczne – to była idea nad którą NASA pracowała w latach 90’tych w ramach programu X-33. Opracowano lekkie płytki mające strukturę plastra miodu zrobione z incontel i tytanu, ale program został zatrzymany. Szkoda, bo wstępne wyniki były bardzo zachęcające. Sama zasada działania metalicznych osłon jest identyczna jak osłon ceramicznych – minimalizacja ilości ciepła jakie „przesiąka” do struktury pojazdu. Tylko zewnętrzna strona osłony termicznej jest w takim rozwiązaniu metalowa – pod nią znajduje się tradycyjna, ceramiczna płytka. Ale dzięki temu że zewnętrzna warstwa jest metalowa, całość jest znacznie bardziej odporna na uszkodzenia. Problemem jest niższa temperatura topnienia co wymaga jeszcze mniej agresywnych profili wejścia w atmosferę niż w przypadku ceramiki. No i jak pokazał ostatni lot Starship poważnym problemem jest odporność na utlenianie się (podejrzewam że także z powodu wyższych temperatur i że to nie było tylko utlenianie się ale także ablacja).
Jakie mamy alternatywy? Jak już wspomniałem kilka razy jedyną naprawdę nową ideą jak sobie poradzić z powrotem z orbity jest pomysł Stoke Space. Nie jestem ekspertem by móc wypowiedzieć się czy to im się uda, ale dla laika idea wydaje się genialna – pozbyć się części osłon termicznych i absorbować energię w paliwo i utleniacz a potem wykorzystywać tą zaabsorbowaną energię do zwiększenia ISP silnika którym hamujemy aktywnie w czasie wejścia w atmosferę. Dodatkowo gazy spalinowe z silników działają trochę jak osłona ablacyjna blokując promieniowanie IR i zmniejszając nagrzewanie się pojazdu. Jest też relatywnie ciężki „heat sink” którego celem jest wygładzanie krzywej nagrzewania się pojazdu – zaabsorbowanie energii w czasie maksymalnego nagrzewania się i oddanie jej kiedy będzie potrzebna do pompowania paliwa i utleniacza przy lądowaniu. Pytanie tylko czy cały bilans energetyczno-masowy takiego rozwiązania jest rzeczywiście lepszy niż wzięcie ze sobą ceramicznej osłony termicznej na orbitę? Stoke Space uważa że tak. Że w ten sposób procent masy jaką da się wystrzelić będzie lepszy niż w przypadku Starship. I że brak delikatnych, ceramicznych osłon termicznych pozwoli na szybkie tempo lotów. Cóż, trzymam za nich kciuki…
