Compania SpaceX a lansat în data de 10 decembrie 2020 prototipul SN8 al navei spațiale Starship, care este proiectată să ajungă pe Lună și Marte.

Zborul lui SN8 a atras atenția, în special, pentru ultimele câteva secunde înainte de aterizare, atunci când prototipul a explodat.

Dacă ţinem cont de zborul aproape perfect al lui SN8 timp de șase minute și jumătate, de tehnologia și manevrele inovatoare implicate în acest test, este rezonabil să-l considerăm extrem de reușit.

Navele spațiale obișnuite se întorc pe Pământ folosind “tragerea aerodinamică” din atmosferă pentru a-şi încetini reintrarea în atmosferă. Decelerarea de la 32.000 km/h disipează multă căldură, motiv pentru care sunt necesare scuturi termice, iar aterizarea finală este controlată de parașute.

Motoarele rachetă propriu-zise nu aterizează în siguranță, ele ard și se prăbușesc în mare.

Aceasta este o adevărată risipă de resurse.

Fondatorul și CEO-ul SpaceX, Elon Musk, încearcă în schimb să refolosească cât mai mult posibil din racheta spațială.

Dacă destinația finală este Luna sau chiar Marte, atunci acest lucru este perfect justificabil, deoarece racheta s-ar putea realimenta mult mai ușor în anumite locații special alese de-a lungul drumului fără să fie nevoie construirea unei rachete noi.

Starship este un sistem rachetă, complet reutilizabil, conceput pentru a transporta o sarcină utilă de 100 de tone pe orbita Pământului și nu numai. Acesta are o primă treaptă “booster” care propulsează racheta pe orbită și apoi se separă. Treaptă “booster” este proiectată pentru a ateriza în siguranță și pentru a fi refolosită.

SpaceX și-a dat seama cum să facă acest lucru cu racheta Falcon, dar aceasta reprezintă doar două treimi dintr-un astfel de sistem rachetă. La Starship, cel de-al treilea sistem, care ajută la propulsia navei spațiale mai departe de orbita Pământului, nu este niciodată expulzat.

Aterizarea treptei “booster” este ”ușoară”, deoarece aceasta este decuplată la două minute după lansare și, prin urmare, se întoarce pe Pământ de la o altitudine relativ mică, fără a atinge niciodată viteze foarte mari.

NASA definește o viteză hipersonică “mare” printr-un “număr Mach” având valoarea cuprinsă între 10 şi 25. Treapta “booster” atinge doar aproximativ Mach 6.

Starship se va întoarce de pe orbită ajungând la Mach 25. La această viteză, căldura reintrării în atmosferă poate topi motoarele. Prin urmare, este nevoie de un scut termic care să disipeze 99% din energie, protejând încărcătura și rachetele necesare pentru aterizare.

Prototipul SpaceX-SN8

Prototipul SpaceX-SN8. Credit: SpaceX/EPA

Naveta spațială, parțial reutilizabilă, a NASA avea aripi mari care erau folosite pentru aterizarea pe o pistă. Dar aripile sunt grele și reduc capacitatea potențială de încărcare utilă. De asemenea, ele nu pot fi utilizate pe Marte sau pe Lună, deoarece acolo nu există atmosferă și nici piste de aterizare.

O dinamică inovatoare

Ingeniozitatea Starship constă dintr-un tip de cădere liberă în care atmosfera încetinește treptat viteza vehiculului. Pe măsură ce se apropie de pământ, acesta ar trebui să fie suficient de lent pentru o aterizare pe o platformă.

Niciun alt vehicul nu zboară așa. Avioanele sunt proiectate pentru a menține fluxul de aer atașat de aripi pentru a asigura portanţa. Dacă se pierde acel flux de aer, atunci avionul se prăbuşeşte.

Starship intră în atmosferă la un unghi de 90 de grade. Aceasta este o configurație inerent instabilă, iar aerodinamica este imposibil de prezis.

Aici intervine controlul activ. Starship are patru clape ce sunt folosite la fel cum un parașutist îşi pilotează paraşuta pentru a controla căderea liberă.

Prin zborul de testare al SN8, Space X a demonstrat că este posibil să se controleze o astfel de aerodinamică. Căderea controlată de la o altitudine de 12,5 km i-a oferit SpaceX datele necesare revenirii în siguranţă de pe orbită.

SpaceX poate acum analiza funcționarea clapelor și cât de exact se poate menține vehiculul stabil pentru o aterizare în siguranţă la țintă. Se poate vedea în videoclipurile realizate de SpaceX că funcţionarea clapelor este controlată eficient, ceea ce este o veste grozavă pentru SpaceX.

Ecuația rachetei

Fiind complet reutilizabilă, operarea Starship ar trebui să fie mult mai ieftină decât în cazul rachetelor convenționale de unică folosință. Cu toate acestea, nu este uşor de stabilit cantitatea necesară de combustibil.

Avioanele convenționale decolează întotdeauna cu combustibil de rezervă şi pot ateriza de urgență dacă cantitatea de combustibil a fost calculată greșit.

Rachetele trebuie lansate cu o cantitate enormă de combustibil pentru a fi siguri că există suficient combustibil pentru aterizare. Este ca și cum am sta 14 zile într-un camping și timp de 13 zile suntem nevoiți să cărăm apa pentru a o folosi în ultima zi.

Probabil că rezervorul de combustibil al lui SN8 a fost aproape complet gol atunci când a ajuns pe uscat.

Cantitatea de combustibil necesară este dată de “ecuația rachetei”. Aceasta arată că, dacă dorim să lansăm 100 de tone de sarcină utilă pe Lună, la o viteză de 12.000 de metri pe secundă, avem nevoie de nu mai puţin de 2.000 de tone de combustibil.

Referitor la tipul de combustibil, este interesant faptul că kerosenul și hidrogenul (așa cum a fost folosit de Apollo 11) sunt încă cei mai populari combustibili pentru rachete.

Legile fizicii și chimiei nu s-au schimbat prea mult de cincizeci de ani, dar Starship poate fi considerată o rachetă pionier prin utilizarea metanului ca combustibil.

În ciuda faptului că este mai greu de lucrat cu el, metanul oferă o propulsie mai mare. Mai important, există o cantitate mare de metan pe Marte, care este, în mod evident, destinația finală pentru SpaceX.

În concluzie, de ce s-a prăbușit SN8?

În videoclipul SpaceX se pot vedea câteva flash-uri verzi chiar înainte de aterizare. Motoarele sunt fabricate din cupru, care arde cu o flacără verde caracteristică.

SpaceX a semnalat o problemă cu presiunea combustibilului chiar în ultimul moment, ceea ce înseamnă că racheta nu a putut încetini. Excesul de oxigen rezultat a început să ardă efectiv motoarele.

Dacă nu ar fi apărut această problemă în ultimele câteva secunde, atunci aterizarea ar fi putut fi perfectă. Inginerii vor căuta acum să remedieze această problemă pentru SN9.

Traducere după SpaceX Starship prototype exploded, but it’s still a giant leap towards Mars