Как приземлить ракету

После успешного запуска капсулы поддержки, ракета Falcon 9 от SpaceX попыталась приземлиться на баржу в море. Как вы знаете, посадка не удалась. Стоит ли удивляться? Можно удивиться только тому, что ракета вообще оказалась близко к месту посадки. Ведь то, что пытается сделать SpaceX, невероятно сложно.

Почему же эту ракету сложно посадить? Для этого нам нужно взглянуть на процесс посадки ракеты с точки зрения физики. Мы будем говорить об общих физических принципах, а не технических деталях посадки ракеты.

Человечество высаживало несколько космических аппаратов на Луну в ходе миссий «Аполлон». Есть также известная аркадная игра под названием Lunar Lander. Цель игры — изменять угол и тягу судна, чтобы успешно посадить его на Луне.

Три маневра для ракеты

Ракета Falcon 9 может делать три вещи, используя главный двигатель:

— Вертикальное ускорение: полезно для замедления ракеты, чтобы она не «это самое».

— Горизонтальное ускорение: используется для изменения горизонтальной скорости ракеты. Это полезно для изменения горизонтального положения ракеты, чтобы она могла сесть на баржу в океане.

— Угловое ускорение: оно меняет вращательное движение космического аппарата относительно центра массы. Это полезно, если вы хотите убедиться, что ракета садится в вертикальном положении.

Наверное, нужен быстрый пример. Допустим, ракета Falcon идет на посадку и у нее есть некоторая горизонтальная скорость. Для того чтобы замедлиться для безопасной посадки, ракета должна двигаться в противоположном направлении. Вот что происходит.

Чтобы ускориться вправо, ракета изменяет угол. Но поскольку эта сила тяги не действует в линии, которая проходит через центр масс, возникает крутящий момент, который изменяет вращательное движение корабля. Добавьте к этому тот факт, что вам всегда нужно изменять значение тяги, чтобы ускорять ракету вверх и вниз.

Посадить такую ракету крайне сложно. Вы можете даже попробовать сделать нечто подобное самостоятельно. Возьмите швабру или длинную палку и отправьтесь туда, где вы никого и ничего не зацепите. Потом попробуйте ходить, балансируя вертикально установленной шваброй на руке, просто установив на нее один конец объекта. Как перестать двигаться при этом?

В этом примере действительно можно остановить швабру, и она не упадет. Но в случае с ракетой, вам нужно одновременно остановить ее и удерживать вертикально до конца.

Почему бы не использовать другую конструкцию ракеты?

Давайте рассмотрим несколько ракетных конструкций. Во-первых, у нас есть Falcon 9. Во-вторых, у нас есть плоская конструкция, которую будет весьма просто посадить — что-то вроде лунного посадочного модуля.

«Легким модулем» будет гораздо проще управлять. Во-первых, он не высокий и не тонкий, как Falcon 9. Центр массы расположен ближе к основным двигателям, поэтому они не будут провоцировать появление крутящего момента, который нужно будет изменять вращательными движениями. Кроме того, у него есть несколько двигателей, поэтому вы можете варьировать тягу, чтобы создать нулевой крутящий момент, если захотите. Кроме того, в этой конструкции есть боковые двигатели. Вы можете изменить горизонтальное движение «легкого модуля» даже не разворачивая космический аппарат. Выглядит лучше ракеты, да?

Хотя «легкий модуль» легче посадить, он не настолько хорош, как Falcon 9. Falcon 9 не спроектирована для приземления на баржу в океане (хотя пытается и когда-нибудь сделает это). Нет, ракета спроектирована, чтобы запускать полезный груз на орбиту. Это ее основная функция, с которой «легкий модуль» не справится никак. Ракеты высокие и тонкие, поэтому встречают меньше сопротивления воздуха по мере ускорения через атмосферу. Чем меньше площадь поперечного сечения передней части ракеты, тем ниже сопротивление воздуха. Чтобы «легкий модуль» запустил полезный груз в космос, он должен иметь НАМНОГО больше топлива, чтобы компенсировать большое сопротивление воздуха. Но с большим количеством топлива понадобится большая ракета, которая потребует еще больше топлива. При запуске ракеты каждый грамм имеет значение.