Я приведу часть доклада, сделанного на научно-технической конференции в июне 2025 года в филиале Военной академии Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого. Доклад назывался "Особенности посадки SUPER HEAVY" (краткий обзор).
Доклад был посвящён особенностям стартовой инфраструктуры сверхтяжёлого носителя «Супер Хэви» для запуска системы «Стар Шип», где разбиралась типовая циклограмма запуска, а также приведены основные технические характеристики первой ступени ракеты. При подготовке доклада были проведены расчёты основного силового элемента, применяемого для посадки на «Мехазилу». Авторы доклада: Казаков Геннадий Викторович, кандидат технических наук (4 ЦНИИ Минобороны России), Мерецков Илья Владимирович, ведущий инженер (АО «НПЦ АП им. академика Н.А. Пилюгина») и Пономарев Сергей Александрович, доктор технических наук (4 ЦНИИ Минобороны России).
Перед тем, как привести эпюры напряжений балок и расчёты из доклада, расскажу про основные моменты возврата первой ступеней "Стар Шипа" для тех, кто до этого момента не так глубоко интересовался этой темой. Сверхтяжелая ракета «Star Ship» («Звёздный корабль») является одним из последних достижений американской астронавтики. Она состоит из двух частей: 1-я (нижняя) ступень - ускоритель "Супер Хэви" (он на фотографии серебристого цвета), его длина 63 метра, 2-я (верхняя) ступень - собственно сам космический корабль "Стар Шип" (он на фотографии тёмного цвета) высотой 55 метров.
Примерно через 2,5 минуты после старта ракеты, на высоте около 70 км происходит разделение ступеней.
Вторая ступень летит дальше, а первая ступень делает кульбит, поворачивается соплами двигателей в противоположную сторону, гасит горизонтальную составляющую скорости до нуля и падает вниз, приземляясь в 100 километрах от старта.
А потом было придумано, что с помощью решётчатых рулей
первая ступень при падении принимает наклонное положение, скользит на воздушных потоках
и в наклонном положении при падении пролетает как раз 100 км до места старта.
Здесь следует учесть, что к моменту возврата первая ступень уже почти освободилась от топлива, осталось где-то 20-40 тонн, т.е. она пустая внутри, при том, что на старте заправка первой ступени составляла 3480 тонн топлива.
Поскольку центр масс пустой трубы находится внизу, там, где расположены тяжелые двигатели, то сам полёт в наклонном положении "вызывает вопросы"... в соблюдении достоверности.
О траектории возврата первой ступени мы подробно рассказывали в видеосюжете:
Все конечно понимают, что в стратосфере и мезосфере, на высотах 40-90 км над землёй воздушные решетчатые рули работать не будут. Лишь когда ступень опустится ниже 20 км, только тогда от этих рулей будет хоть какой-то эффект. Остаётся загадкой, как же ступень, падая, смогла пролететь до стартовой площадки 100 км с направленным вниз соплом?
Но это ещё не всё. Дальше происходят совершенно невероятные события. Первая ступень не просто долетает до места старта, а возвращается прямо на стартовую башню, на вытянутые рычаги "Мехазиллы".
Где-то на самом верху гигантской металлической трубы высотой с 23-этажный дом, находятся 2 маленьких кронштейна.
Кронштейн должен с размаху попасть на узкую линейку рычага Мегазиллы. Ошибка на 15 см - и авария неизбежна.
При этом следует учесть, что масса возвращаемой ступени - около 200 тонн, и основная масса приходится на двигатели Raptor, их 33.
Порожняя ступень имеет массу 180 тонн. Но поскольку после возвращения топливо ещё остаётся (например, в 6-м полёте ступень горела на плаву почти полтора часа после приводнения), то мы взяли расчётную массу при возвращении 200 тонн.
И написали статью "Удержат ли два маленьких болта сверхтяжёлую ракету SuperHeavy?
Чтобы вы поняли, на сколь массивна 1-я ступень высотой 63 метра, приведём несколько фотографий того, что находится внутри этой ступени - топливопроводы.
Чтобы представить, что такое 200 тонн, приведу одну картинку:
И вот, представьте, эта масса 200 тонн, падает с высоты 90 км и попадает двумя маленькими боковыми кронштейнами (опорными башмаками диаметром 17 сантиметров) на рычаги стартовой башни. Фантастическая точность приземления!
Теперь, после столь длинного предисловия я могу процитировать пункты упомянутого вначале доклада "Особенности посадки SUPER HEAVY" с подзаголовком "Достижения астронавтики или аномалии космонавтики", касающиеся возврата первой ступени.
Такое поведение, тяжёлого объекта посадочной массой около 200 тонн, траектория захода на устройство «Мехазила» и посадка противоречат законам аэродинамики и физике в целом. Например, на конечном этапе посадки и начальном этапе возвращения на старт, решётчатые рули, очевидно не эффективны, однако, на видео, нам демонстрируют управление объектом именно этими органами.
На раскадровке видно, что ступень массой около 200 тонн, практически без возмущений перемещается в горизонтальном направлении, оставаясь практически на одной высоте.
Вот это видео, обратите внимание на движение ступени после 45-й секунды:
Примерно через 6 мин после старта 13 двигателей снова запускаются для выполнения посадочного манёвра, и РН подхватывается парой механических рычагов.
Рассмотрим, может ли первая ступень условно пойманная «Мехазиллой» выдержать такую нагрузку?
Итак, имеем 180 тонн сухой массы и около 20 тонн топлива, вся нагрузка от которых приходится на два механических рычага стартового сооружения и пару упоров, расположенных на самой ступени, приходящей на эти опоры, с минимальной скоростью 14 см/с.
Допустим, что диаметр <опорного башмака> 170 мм верен. Перепроектируем весь кронштейн пропорционально этому значению, вместе с опорным шпангоутом. Сделаем эти кронштейны цельнолитыми, повысив потенциальную прочность конструкции. Кронштейны будут единой цельнолитой деталью со шпангоутом, толщину стенки последнего сделаем равной 50 мм. Высота шпангоута пусть совпадает с высотой кронштейна и равна 470 мм. Изготовим эту деталь из титана, пределы текучести и прочности которого значительно выше стали и алюминиевых сплавов. Один этот шпангоут вместе с кронштейнами будет весить 3 493 кг. Положим наше изделие на опорные кронштейны.
Нагрузим кронштейны силой 2 000 кН, эквивалентной статическому весу 200 тонн, и получим картину напряжений и деформаций (см.рисунок). Полученные даже в столь мощном и тяжёлом шпангоуте максимальные значения напряжений конструкции равны 3 904 МПа, что существенно превышает предел прочности титана, равный 1 070 МПа. При этом предел текучести превышен в зонах концентрации напряжений. Данная эпюра напряжений отлично демонстрирует, что цельнолитые кронштейны будет разрушены под нагрузкой 200 тонн вне зависимости от внутренней конструкции ракеты «Super Heavy». При этом и деформации шпангоута настолько велики, что шпангоут может перемещаться на величину более метра (см. рисунок ниже).
Это означает, что будь фиксация на пятаках не жёсткая, а на силе трения, то пятаки просто соскользнули бы внутрь рельс от деформации кронштейнов и корпуса ракеты. Следовательно, кронштейны, даже цельнолитые, без учёта динамической нагрузки, в таких размерах, выдержать 200 тонн не могут.
Проведём усиление данной конструкции. Сохраним исходный мидель кронштейнов и удлиним по вертикали кронштейн таким образом, что он будет опираться уже на два шпангоута высотой 470 мм с толщиной стенки 50 мм, разнесённые друг относительно друга по высоте на те же 470 мм – элемент корпуса с толщиной 5 мм. Аналогично сделаем все цельнолитым и из того же титанового сплава. Сделаем расчёт, аналогичный вышеприведённому с фиксацией опорных поверхностей кронштейнов и приложением к нижнему сечению сборки силы в 2 000 кН.
Как видно, даже такая усиленная конструкция из титана получает напряжения, превышающие предел прочности металла. Последнее приведёт к разрушению конструкции. Максимальное действующее значение в конструкции 1 491 МПа при пределе прочности титанового сплава 1 070 МПа. При этом масса всей цельнолитой титановой сборки без стрингеров и других внутренних элементов составляет 8 056 кг.
Вернёмся к нашей предыдущей вариации шпангоута. При статической нагрузке 56 тонн сил в зоне концентрации напряжений действующие напряжения превышают предел прочности титана на 23 МПа. Кронштейны подломятся в зоне максимальных напряжений. При статической нагрузке 50 тонн сил в зоне концентрации напряжений, действующие напряжения превышают предел текучести титана на 46 МПа. Кронштейны получают пластическую деформацию и повторно не применимы.
Проведённые нами расчёты вызывают сомнение в реальности некоторых заявленных характеристик ступени «Super Heavy», так как шпангоут, даже усиленный, не держит нагрузку в 50 тонн при заявленном посадочном весе конструкции около 200 тонн.
Вывод:
1. Компания Илона Маска показала миру видеоролики, которые вызывают массу вопросов, с точки зрения соответствия феноменов, продемонстрированных в роликах, нормальным закономерностям физики и химии.
2. Наблюдаются сложно объяснимые, с физической точки зрения, манёвры первой ступени при возвращении на старт.
3. Вызывает сомнение надёжность и эффективность практически всех
продемонстрированных элементов комплекса «Звёздного корабля».
4. При поверке инженерными методами одного элемента первой ступени, показанное американцами чудо инженерной мысли оказалось просто чудом. В частности, проведённые нами расчёты, вызывают сомнение в реальности некоторых заявленных характеристик ступени «Супер Хэви». Так, упоры первой ступени «Супер Хэви», заведомо не выдерживают статическую нагрузку в 50 тонн, при заявленном посадочном весе конструкции около 200 тонн.
*
С вами был кинооператор Л.Коновалов. До новых встреч!
Продолжение следует!