SpaceX při misi CRS-18 testuje upravený horní stupeň Falconu a také tepelný štít pro Starship
SpaceX během aktuální mise CRS-18 otestovalo rovnou dvě nové technologie. Falcon 9 letěl s nezvyklým šedým pruhem, jenž má zkoumat změny teplot horního stupně na oběžné dráze, a loď Dragon byla vybavena několika keramickými dlaždicemi, které SpaceX zvažuje použít pro tepelný štít lodi Starship. Znamená to, že ocelový trup Starship už nebude chlazen transpiračně?
Falcon 9 od své premiéry v roce 2010 prošel spoustou změn. První verze 1.0 vypadala jako úplně jiná raketa než současná varianta Block 5. Ta měla premiéru loni v květnu a měla by představovat finální verzi raket Falcon. Neměnnost konfigurace Blocku 5 má dva hlavní důvody. Prvním je, že se tím eliminuje riziko pro mise s astronauty, které plyne z častého provádění změn konstrukce rakety, čímž SpaceX proslulo. Ředitel výroby ve SpaceX dokonce v jeden čas prohlásil, že každá vyrobená raketa se trochu liší od té předchozí a firma v podstatě nikdy nevyrobila dvě zcela totožné rakety. Druhým důvodem je, že investice do dalšího vývoje Falconů se v dnešní době už moc nevyplatí. SpaceX totiž usiluje o to, aby už za pár let byla do provozu zavedena výrazně pokročilejší raketa Starship, která má být díky kompletní znovupoužitelnosti z hlediska nákladů na jeden start několikanásobně levnější než Falcon 9 nebo Falcon Heavy. Tím pádem lze očekávat, že postupně zcela nahradí Falcony a Dragony, které se pro zákazníky stanou dražší volbou.
Porovnání různých variant rakety Falcon (Autor: Lucabon / Wikipedia)
Nicméně ukončení vývoje Falconů v reálu samozřejmě není stoprocentní, protože menší úpravy se přeci jen dělají – například bylo upraveno hydraulické čerpadlo roštových kormidel, jehož selhání vedlo k nezdaru při přistání prvního stupně během mise CRS-16. A takových příkladů může být celá řada, akorát se o nich nejspíš nedozvíme. Například mám podezření, že SpaceX u novějších exemplářů Blocku 5 provedlo nějaké změny na raketě nebo přistávacích nohách, které konečně umožnily jejich sklápění po přistání. Avšak vždy by mělo jít o relativně malé změny, rozhodně se nedočkáme větších nádrží, zcela odlišné tepelné ochrany nebo dokonce znovupoužitelného horního stupně.
Nyní jsme se dozvěděli o další zvažované úpravě raket Falcon. Už během příprav na statický zážeh před misí CRS-18 si pozorní fanoušci všimli, že raketa na rampě měla na horním stupni jakýsi šedý pruh. Moderátor ze SpaceX pak v živém přenosu vysvětlil, že nádrž s palivem RP-1 a byla natřena šedě za účelem získání dat o tom, jak sluneční světlo ovlivňuje teplotu paliva v horním stupni během delších misí na oběžné dráze.
Detail horního stupně s šedým pruhem před startem CRS-18 (Foto: John Kraus)
Zásobovací mise CRS nejsou pro horní stupeň moc náročné, protože k vypuštění Dragonu dojde velmi krátce po dosažení orbity a tím vlastně práce Falconu končí (pomineme-li pozdější deorbitační zážeh, který není pro úspěch mise nutný). Avšak některé mise pro letectvo, například nedávná STP-2, bývají složitější, protože vyžadují opakované zážehy horního stupně s několikahodinovými prodlevami. Nejobtížnějším aspektem takových misí je udržování kapalného kyslíku na potřebné teplotě -206 °C, pro kterou byl navržen motor Merlin. Nádrže se totiž vlivem slunečního záření pomalu ohřívají, a tak je před plánovaným zážehem potřeba kyslík opět zchladit.
Jenže palivo má opačný problém. Před startem je chlazeno jen na teplotu -7 °C a na orbitě pak další pokles teploty a hrozí jeho zamrznutí. A tak je potřeba během delších misí palivo průběžně přihřívat. SpaceX ale má toto cílené chlazení a ohřívání nádrží nějak vyřešeno, protože už několikrát demonstrovalo schopnost úspěšné provést opakované zážehy Merlinu i po 6 hodinách na orbitě. K čemu tedy ten šedý pruh?
Podle NASA Spaceflight má jeho barva umožnit přesun nežádoucího tepla z kyslíkové nádrže do nádrže s RP-1, kde naopak může pomáhat bránit zamrzání. SpaceX získaná data z CRS-18 porovná s předchozími misemi CRS, aby zjistilo, jestli měl šedý nátěr požadovaný efekt. Pokud se pruh osvědčí, asi by to prodloužilo dobu, po jakou může horní stupeň fungovat i bez systému pro vyhřívání/chlazení nádrží. Proslýchá se, že tato funkcionalita je v podstatě volitelný hardwarový doplněk, kterým může být horní stupeň za příplatek vybaven, pokud to profil mise vyžaduje.
Toto však nebyl jediný experiment, který SpaceX provádělo během mise CRS-18. Pokud jste dávali pozor během živého přenosu, moderátor zmínil, že tepelný štít Dragonu byl doplněn o čtyři keramické dlaždice, které SpaceX testuje pro tepelný štít vyvíjené rakety Starship. Něco podobného prý proběhlo už v minulosti, když SpaceX testovalo dlaždice pro tepelný štít lodi Crew Dragon. NASA tyto testy schválila poté, co analýza prokázala, že nepředstavují zvýšené riziko pro misi jako takovou.
Testovací keramické dlaždice pro Starship na tepelném štítu Dragonu před misí CRS-18 (Zdroj. SpaceX)
Elon Musk na Twitteru poskytl doplňující informace ohledně testovaných dlaždic. Pro mě je to dost pokročilá fyzika, tak mě kdyžtak v komentářích opravte, pokud bude překlad nepřesný. Vše začalo reakcí na tweet Everyday Astronauta, který mluvil o tom, že poté, co si něco zjistil o záření absolutně černého tělesa, už si není tak jistý, že odrazivý povrch Starship je vhodný. Musk vysvětlil:
Vysoká odrazivost snižuje fotonické zahřívání, emisivita snižuje částicové zahřívání. Není potřeba se zbavovat tepla zářením, pokud nemáme vysokou teplotu. Navíc kov je po zahřátí žlutý/rudý/bílý, takže přestane být odrazivý.
[Na Dragonu] testujeme potenciální keramické dlaždice pro návětrnou stranu Starship. Maximalizace emisivity je nejlepší pro tepelnou vodivost. Výhodou oceli je na rozdíl od trupu z uhlíkových kompozitů nebo hliníku, že dlaždice můžou být velmi tenké.
Tenké dlaždice na návětrné straně lodi, plus nic na závětrné straně a na [Super Heavy] se jeví jako varianta s nejnižší hmotností.
Otázkou také zůstává, z jakého materiálu jsou dlaždice vyrobeny. PICA-X, který v současnosti využívají tepelné štíty Dragonů, nejspíš nepřipadá v úvahu, protože je ablativní, což není vhodné pro rapidně znovupoužitelnou loď, kterou má Starship být. Jako nejpravděpodobnější kandidát se tedy jeví materiál TUFROC (Toughened Uni-piece Fibrous Reinforced Oxidation-Resistant Composite), na jehož výzkumu a vývoji SpaceX od června 2018 spolupracuje s NASA.
Tuto technologii původně vyvinulo Amesovo výzkumné středisko NASA a jeho vlastnosti demonstroval experimentální miniraketoplán X-37B společnosti Boeing. Zároveň jej má využívat i znovupoužitelný raketoplán Dream Chaser. TUFROC je tvořen uhlíkovou čepičkou, která je mechanicky připevněna k lehkému, vláknitému základu ze siliky (oxidu křemičitého). Materiál je lehký, levný, znovupoužitelný a dokáže odolat teplotám téměř 2000 °C.
Experiment během CRS-18 pochopitelně vyvolává otázku, proč SpaceX testuje keramické dlaždice, když tepelný štít Starship si měl vystačit s nerezovou ocelí, která by byla v těch nejnamáhanějších místech doplněna o transpirační chlazení. To mělo fungovat tak, že titěrné dírky by umožňovaly „prosakování“ vody nebo metanu, čímž by daný povrch chladily. Při návratu Starship z nízké oběžné dráhy by podle Muska bylo zhruba 20 % povrchu lodi vystaveno maximální teplotě kolem 1476 °C, dalších 20 % teplotě 1326 °C a zbytek povrchu by dosáhl maximální teploty pod 1176 °C, kterou už snese ocel typu 310S sama i bez dodatečné ochrany nebo chlazení.
Testing metallic heat shield at 1100C (2000F) @SpaceX pic.twitter.com/frP5eZ5a0z
— e^👁🥧 (@elonmusk) January 25, 2019
Zatím není jasné, jestli dlaždice mají nahradit transpirační chlazení, nebo jestli SpaceX prostě zkoumá více variant tepelného štítu najednou. Musk v tweetu výše keramické dlaždice označil jako „potenciální“, takže si myslím, že platí spíše druhá možnost a o finálním řešení tepelného štítu pro Starship ještě nebylo rozhodnuto.
Podpořte projekt ElonX
- Mise Starlink 10-9 - 25. 7. 2024
- Mise Starlink 9-4 - 20. 7. 2024
- Daily Hopper: Nehoda Falconu 9 a problémy Starlineru - 19. 7. 2024
Podle stránek Outokumpu Terma range je max. teplota pro ocel 310S 1050°C. Bohužel se mi nepodařilo zjistit závislost mechanických vlastnosti této oceli na teplotě, ale při teplotách přes 1000°C nebude asi nic moc. Osobně si myslím, že místa pláště, kde teploty přesáhnou 1000°C, budou muset být nějakým způsobem chlazeny, což bude konstrukčně dosti náročné. Musk si to zřejmě uvědomuje a hledá snazší cesty. Situaci mu zřejmě komplikuje, že vnější část nádrží je současně pláštěm rakety. Samozřejmě to teoreticky může snižovat hmotnost rakety, ale zase to značně limituje použité materiály a konstrukci obou části.
Tady jsou kdyžtak ty vlastnosti různých druhů nerezové oceli docela podrobně popsány: http://www.ssina.com/composition/temperature.html
Díky za odkaz.
Jak to vidím z poznámky za tabulkou č. 2 může nastat riziko praskání pláště z rozdílu teplot na plášti během aerodynamického brzdění. No uvidíme jak se to Muskovi podaří vyřešit.
Ok, takže… pro pochopení to chce celý ten rozhovor mezi Everyday astronautem a Elonem:
EA: What’s with the ceramic black tiles being tested on today’s #CRS18 Dragon capsule for StarShip? Is there going to be ceramic tiles on StarShip for the heatshield instead of just Stainless Steel now? Obeying laws of black body radiation and avoiding reflective surfaces @elonmusk?
EA: Co ty keramické černé dlaždice testované na dnešním Dragonu pro Starship? Budou to tedy teď keramické dlaždice na SS jako heatshild místo (jen) nerez oceli? Respektujete (tím) zákony vyzařování černého tělesa a vyhýbáte se odrazivým (lesklým) povrchům?
EA: The more I learn about black body radiation, the more I realize a reflective surface is exactly what you don’t want.
EA: Čím víc jsem toho zjistil (jsem se toho naučil) o vyzařování černého tělesa, tím víc si uvědomuji, že odrazivé povrchy jsou přesně to co NEchcete.
Musk: High reflectivity minimizes photonic heating, high emissivity minimizes particle heating. No need to radiate heat away if you aren’t hot in the first place. Also, as metal heats up to yellow/red/white, it stops being reflective.
Musk: Vysoká odrazivost minimalizuje zahřívání fotony (pozn. přenos tepla sáláním – zářením), vysoké vyzařování minimalizuje zahřívání částicemi (pozn. konvekcí – prouděním tepla – předáváním tepla přímo z částice na částici). Není třeba vyzářit nějaké teplo pryč, když ses předtím nezahřál (když se vůbec nezahřeješ). Navíc, jak se kov zahřívá do žluta/ruda/bíla, přestává být odrazivý.
EA: So what’s the ceramic for that was flown on Dragon today? Certain extra hot spots?
EA: Takže, k čemu jsou ty dlažice, které letěly dnes na Dragonu? Na nějaká extra horká místa (hotposty)?
Musk: Testing a possible Starship windward side ceramic tile. Maximizing emissivity is best for conductive/particle heating. Nice thing about steel is that tiles can be very thin, unlike carbon fiber or aluminum airframe.
Musk: Testujeme možné keramické dlaždice pro návětrnou stranu Starship. Maximalizace vyzařování je nejlepší pro případy (proti) ohřevu konvekcí/částicemi (prouděním tepla). Na oceli je krásné, že dlaždice mohou být velmi tenké, narozdíl od karbonového nebo hliníkového draku.
Pro vysvětlení a hodně zjednodušeně v čem je podstata té debaty:
Když se loď vrací do atmosféry, tak s ohledem na rychlost a s tím související supersonické / hypersonické efekty vzniká teplo ne přímo na povrchu lodi, ale řekněmě o něco dál od povrchu… představ si to jako nějaký zásobník tepla, kousek před povrchem lodi (hodně zjednodušeně). A pak se to z toho “zásobníku” teplo teprve dostává na tělo lodi – dvěma způsoby – přímo prostřednictvím částic (konvekcí – prouděním tepla – přímým nárazem horkých částic do lodi) a jednak tepelným zářením (sáláním) z toho “zásobníku” na povrch lodi.
S teplem přijatým prouděním, s tím nic moc nenaděláš (pokud nedokážeš zařídit, aby do tebe vůbec nenarazily). Prostě se ho musíš zase zbavit – což zcela pasivně jde jen vyzářením. Jenže … vyzařování (sálání) závisí jednak na teplotě vyzařujícího tělesa a jednak na jeho barvě. No a stříbřitě lesklé povrchy jsou z pohledu sálání nejhorší – vyzařují tepla nejméně (černé vyzařují nejlépe). (To je to, na co naráží Everyday astronaut). Jenže tato nevýhoda v podstatě mizí ve vysokých teplotách – rozžhavená ocel jednak mění barvu (a v horkém stavu není stříbřitě lesklá) – ale hlavně u teploty kolem 1000C z pohledu vyzařování na barvě už nezáleží… takže zdánlivá nevýhoda stříbrného povrchu zcela mizí. (Takže ten argument EM je v podstatě – nemusím nic vyzařovat, pokud se neohřeju, protože sem lesklým povrchem odrazil dost tepla přenášeného sáláním, a pak když se zahřeju, tak už stejně nemám nevýhodu stříbrné barvy, protože rozžhavený nerez už nemá tu nevýhodnou barvu (a u teplot kolem 1000C+ už prakticky vše vyzařuje stejně – téměř jako absolutně černé těleso).
Mno a celé je to pak o tom, co je třeba vybalancovat – a proti jakému druhu “získávání tepla” se potřebuješ / chceš více “bránit”. Pokud přijímáš více tepla sáláním, pak je lepší jít cestou odrazivosti – pokud přijímáš více tepla prouděním, pak je lepší bránit se cestou vyzařování… ale je to ještě kus složitější a samozřejmě to není černobílé (a je v tom spousta dalších háčků).
Níže v té debatě to pak doplňuje Scott Manley k dotazu EA na černé dlaždice raketoplánu – u orbitálních rychlostí to (černá u raketoplánu) funguje, protože hlavní část tepla je z proudění, jenže u návratu z venku (z Měsíce a pod) je to (černý povrch) ale špatné – protože u vyšších návratových rychlostí dominuje přenos tepla zářením.
Takže z toho plyne, že Starship bude mit kombinovaný tepelný štit jak z vyleštěného nerezu tak keramiky? Jinak dik za upřesněni překladu.
Ne… usoudit z toho co a kde nakonec použijí, se nedá. Je to mnohem složitější.
Není to černobílé, podmínky se liší místo pd místa, a navíc i v čase během letu a to vše ještě závisí na různých vstupních rychlostech…. tohle nechme koňovi.
V jiné diskuzi jsem četl, že by mohl být problém s transpiračním chlazením u pohyblivých prvků. Tak bych si transpirační chlazení uměl představit u trupu návětrné strany a na delta křídlech TUFROC či podobný materiál.
transpirační chlazení v ploše může vycházet jako zbytečný overkill…. (složitostí, vahou) a není ho tedy pro plochu potřeba. (ono s tím je spojeno spoustu dalších věci- nejen ten samotný děravý povrch: nadrž na medium nebo způsob odebírání metanu z existujících nádrží, spousta rozvodů … (které se občas nemají kam vejít)
takže pokud existuje snazší způsob, tak použijí ten.
Díky za doplňující kontext, ale nějak nevidím, co přesně jsem přeložil špatně, že “smysl je dost jiný”. Váš překlad mi přijde v podstatě stejný, akorát občas s trochu jinou formulací s totožným významem (fotonické zahřívání vs. zahřívání fotony, emisivita vs. vyzařování). Jak tedy mám podle vás ten překlad upravit, aby byl správný?
Petře ten překlad tweetů máš blbě a smysl je dost jiný.Přeložím ti to večer – z telefonu se mi blbě datlí.
Ty 6Hrany urcite nejsou z oceli. Neprimo to potvrdil i musk kdyz rekl ze tepelne namahani je 1650K zdroj zde
Ocel kterou pouzivaji nema takovou odolnost. Coz opet potvrdil i musk zde.
Dokonce uz jsem to jednou psal .
Asi máte pravdu, nějak jsem to pomotal. Měl jsem za to, že se někde potvrdilo, že jsou ocelové. Každopádně si teď říkám, jestli ty šestiúhelníky už tehdy na tom videu nebyly z TUFROCu a SpaceX teď akorát pokročilo k orbitálnímu testování s pomocí Dragonu.
Text jsem upravil, aby vůbec nezmiňoval ty šestiúhelníky, protože zatím není jasné, jak přesně zapadají do celkového obrázku.
Mno uvidime jak to cele dopadne, mozno jen nahradni reseni.
Ale jsou z oceli. Žadná keramika ani Tufroc nema kovový lesk a neodrazi modre svetlo z hořaku.
https://twitter.com/elonmusk/status/1107378575924035584?ref_src=twsrc%5Etfw%7Ctwcamp%5Etweetembed%7Ctwterm%5E1107378575924035584&ref_url=https%3A%2F%2Fwww.elonx.cz%2Fvse-o-super-heavy-starship%2F Prostřední spodni šestiuhelnik, levý roh. Tohle je kov.
Rekni mi alespon jednu ocel ktera opakovane vydrzi peak 1750K. A zaroven je stejne dostupna jako nerez 310S. Nezapomen ze tu teplotu to musi vydrzet v celku ne tesne pred bodem tani.
Tohle video vzniklo v době, kdy Musk mluvil jen o nerezovem šitu s transpiračnim chlazenim. Je docela možné, že jsou ty šestiuhelniky ze zadní strany aktivně chlazeny ale je to rozhodně kov. Jedine co musime udělat je počkat na tu prezentaci tam se určitě dozvíme vic. Myslím si, že SpaceX se bliží do bodu, kdy se už musí rozhodnout jak to chtějí postavit.
Ono i zpusob testovani je dost pofiderni. Ty horaky funguji lokalne a shieldy nejsou namahany dynamicky (proudeni prostredi). To je duvod proc to cpou tedka na letovy HW jako dragon atd. Ve finale to mohl byt jen nejaky “mezi test” kde nedosahli ani 1.5kK. Na tu prezentaci se taky tesim. Bude dost novych informaci.
A není ta jiná barva na druhém stupni nahodou nejaký test pro SS??