23 stycznia, 2017 /

Jeszcze lepszy Falcon 9

Z dochodzących mnie plotek wynikało by że Falcon 9 block 5 ma mieć kilka ważnych zmian:

  • przede wszystkim składane nogi, pozwalające na znacznie szybsze położenie rakiety po lądowaniu. Obecne wersje F9 wymagają czasochłonnego procesu demontażu nóg zanim rakieta zostanie położona.
  • możliwe że Falcon 9 block 5 będzie miał drugi stopień jeszcze troszkę dłuższy od obecnego – to po to żeby zmieścić jeszcze trochę paliwa. To ostatnie jest potrzebne do zwiększenia szans na udane lądowania po misjach na orbitę geostacjonarną. Dlaczego drugi a nie pierwszy? Większa ilość paliwa w drugim stopniu pozwala na zmniejszenie prędkości separacji, a to zarówno pozwala zaoszczędzić więcej paliwa w pierwszym stopniu jak i zmniejszyć ilość paliwa niezbędną na wykonanie manewrów hamujących. Oczywiście jest pewien idealny stosunek osiągów pierwszego do drugiego stopnia, który żeby jeszcze utrudnić życie jest inny w zależności od tego czy lądowanie ma być na barce czy na LZ-1. Lądując na barce można wykorzystać atmosferę do częściowego wyhamowania poziomej składowej prędkości, lądując na LZ-1 trzeba się całkowicie pozbyć poziomej składowej prędkości + nadać prędkość w przeciwnym kierunku (lot balistyczny w stronę LZ-1). Falcon 9 jest kompromisem pomiędzy dwoma tymi wymaganiami, choć podejrzewam że w przypadku block 5 kompromis został przesunięty w stronę lądowań na LZ-1 = jak największego drugiego stopnia rakiety.
  • z tego co słychać to Falcon Heavy spowodował konieczność dość poważnych zmian w konstrukcji pierwszych stopni Falcona 9. Podejrzewam że część ze zmian planowanych dla block 5 jest związana właśnie ze zmianami jakie wymusił Falcon Heavy. Wyczytałem że Falcony 9 będą mogły być wyłącznie używane jako boczne człony Falcona Heavy – centralny człon wymaga dodatkowych wzmocnień. To prawdopodobnie zwiększa jego masę i/lub zmniejsza ilość miejsca na paliwo i utleniacz.

A jak już jesteśmy w temacie Falcona Heavy to warto chyba opisać jak inny jest profil lotu tej rakiety i jakie trudności stały przed projektantami.

Przede wszystkim w dużym uproszczeniu można założyć że Falcon Heavy jest rakietą trzystopniową. Celem bocznych członów jest rozpędzenie członu centralnego połączonego z drugim stopniem do możliwie dużej prędkości. Dlatego chwilę po starcie człon centralny będzie redukował swój ciąg ile tylko się da, by oszczędzać paliwo – im więcej będzie go miał w momencie separacji członów bocznych tym lepiej. To też kompromis – silniki rakietowe pracujące na mniejszym niż je zaprojektowano ciągu są mniej efektywne. Optymalnym rozwiązaniem byłby cross-feed – wtedy wszystkie 27 silników mogło by pracować na pełnej mocy przez cały lot (ignorując problem max q) a następnie w momencie separacji centralny człon zostawał by z pełnymi zbiornikami. Jednak komplikacje związane z cross-feed (począwszy od masy dodatkowych elementów, poprzez szanse na awarię a skończywszy na niekompatybilności z F9) są wyraźnie większe niż potencjalny zysk z tego rozwiązania i firma zdecydowała się na używanie mniejszego ciągu.

Drugi problem jaki mieli konstruktorzy to dysze silników – centralny człon Falcona Heavy będzie leciał dużo wyżej niż człony boczne. A to oznacza że lepszym rozwiązaniem były by większe dysze, tak by lepiej wykorzystać energię spalin. Niestety nie jest to możliwe z uwagi na to że centralny człon uruchamiany jest na ziemi – za duża dysza mogła by spowodować separację, rezonans i awarię. W związku z czym mamy następne dalekie od optimum rozwiązanie – centralny człon będzie jeszcze bardziej nieefektywny niż człony boczne. Jednakże podobno w czasie lotu Falcona 9 centralny silnik w pewnym sensie działa jak aerospike – gazy z niego wychodzące są ściskane przez gazy z silników wokół niego. I vice versa – zewnętrzne silniki także korzystają z tego efektu, choć w znacznie mniejszym stopniu. To powoduje że na dużych wysokościach efektywność F9 jest większa niż wynikało by to z sumy efektywności pojedynczych silników.

Trzeci problem to trzeci (ostatni) stopień Falcona ( 😉 ). Jest on po prostu za mały dla tej rakiety. Dużo lepszym rozwiązaniem byłby większy trzeci stopień i wcześniejsza separacja. Zwiększyło by to zarówno udźwig jak i poprawiło szanse uratowania centralnego członu jako że prędkośc separacji była by mniejsza. Dlatego podejrzewam że jedną z najważniejszych zmian Falcona 9 block 5 będzie zwiększenie drugiego stopnia. Taka modyfikacja pomoże zarówno Falconowi 9 jak i Heavy, choć Heavy bardziej z niej skorzysta.

Czwarty problem to masa dodatkowych wzmocnień. Trzeba było wzmocnić wszystko. Począwszy od drugiego stopnia (maksymalna masa ładunku jest większa) poprzez nowy „interstage” (musi on przenosić siły wywierane na niego przez trzy rakiety + musi mieć mechanizmy pozwalające na odrzucenie bocznych stopni) a skończywszy na nowym centralnym członie (który będzie u dołu przymocowany do dwóch bocznych i to mocowanie z jednej strony musi wytrzymać spore siły a z drugiej niezawodnie się rozpiąć w momencie separacji). Wzmocnienia zwiększają masę. A większa masa zmniejsza udźwig. Do tego trzeba na tyle sprytnie zaprojektować wszystko tak, by z jednej strony było jak najbardziej uniwersalne a z drugiej strony nie zmuszało Falconów 9 do targania niepotrzebnej masy na orbitę. Dlatego podejrzewam że ostatnie stopnie Falcona 9 i Heavy będą się dość znacząco różniły – wersja dla Heavy musi być mocniejsza, a te dodatkowe wzmocnienia nie tylko że nie są potrzebne w F9, ale tylko zmniejszają jego udźwig.

Ostatni problem to profil lotu – zakładając że chcemy wszystkimi trzema stopniami wylądować na LZ-1, to centralny człon musi mieć na taki manewr znacznie więcej paliwa niż boczne. Dlatego że separacja między nim a ostatnim stopniem następuje przy dużo większej prędkości + geograficznie znacznie dalej. Trzeba tak zoptymalizować profil lotu by z jednej strony zmaksymalizować udźwig a z drugiej zostawić ilość paliwa wystarczającą na powrót.

To wszystko powoduje że pomimo 27 silników i prawie 3x większej ilości paliwa i utleniacza, udźwig na GTO nie jest nawet dwa razy większy od Falcona 9. SpaceX nie wyjaśnia szczegółów, ale możemy założyć że podawany udźwig 5.5T dla F9 i 8T dla FH zakłada lądowanie na barce. W przypadku lądowania wszystkich trzech członów na LZ-1, FH najprawdopodobniej ma podobny udźwig do F9 lądującego na barce. Za to w wersji „expandable”, kiedy to nie martwimy się odzyskiem rakiety, udźwig jest 2.5x większy od F9.

Marek Cyzio Opublikowane przez: