Расширяя пределы многоразовости

Credit: SpaceX

Когда SpaceX представили версию ракеты Falcon 9 Block 5 в 2018 году, они рассчитывали запускать ускорители 10 раз, прежде чем провести их капитальный ремонт. Но прошлым летом компания поменяла свои планы: “Мы совершили 10 полётов, но ступени всё ещё выглядели очень хорошо, поэтому мы начали готовить их к 15 полётам”, — рассказал в интервью журналу Aviation Week Джон Эдвардс, вице-президент SpaceX по проектированию ракет семейства Falcon.

Промежуток времени между запусками Falcon 9 продолжает сокращаться, и теперь SpaceX стремятся к запускам со своих трёх стартовых площадок – раз в пять дней. В этом месяце как минимум один лидер флота ускорителей Falcon 9 должен совершить свой 13-й полет (ред. – ожидается, что это будет B1060 в миссии Starlink-4.19 – не ранее 16 июня). Если ступень успешно приземлится, она может совершить ещё два полёта до конца года.

Ускорители Falcon 9 сертифицированы на 15 полётов

Флот активных ускорителей SpaceX на данный момент состоит из 21-й ступени: 10 – Falcon 9, 2 переоборудованных боковых ускорителей Falcon Heavy, 5 боковых и 4 центральных ускорителей Falcon Heavy. “Нам не нужен огромный флот, чтобы выполнять запуски по манифесту. Наша цель — запуск в течение пяти дней или быстрее. Для этого мы смотрим на каждую часть технологического процесса — техническое обслуживание, стартовую площадку, операции спасения, створки обтекателя. Мы смотрим, как оптимизировать и ускорить все процессы. Мы итеративно улучшаем каждый процесс и сокращаем время от запуска к запуску”, — говорит Ричард Моррис, вице-президент SpaceX по производству и запускам.

Теперь SpaceX планируют отказаться от эксплуатации ускорителей после 15 полётов, однако эти планы могут измениться, т.к. компания взяла на себя обязательство предоставлять услуги по запуску миссий для NASA на МКС и будет делать это как минимум до 2030 года. SpaceX намерены постепенно переводить своих коммерческих клиентов, наряду с собственным бизнесом по запуску спутников Starlink на Starship: “В самом начале мы считали, что ракеты Falcon 9 Block 5 могут быть пригодны для десятков полётов. Мы хотели чего-то амбициозного, что дало бы нам разумную цель, поэтому и выбрали 10 полётов. В 2021 году мы провели квалификационные испытания для того, чтобы проверить способны ли ускорители выполнить больше безопасных полётов, и понять, не станет ли это слишком большим риском”, — говорит Эдвардс.

Испытания включали в себя размещение каждого служебного компонента ракеты, включая батареи, бортовой компьютер, блоки авионики и компоненты силовой установки, на вибростенде для испытаний на вибрацию. Тесты в 4 раза превысили тот срок службы, за который оборудование должно было испытать износ во время 15 полётов. Основываясь на этом, мы уверены, что ускорители смогут выполнить 15 полётов”, – говорит Джессика Дженсен, вице-президент по работе с клиентами.

“Анализ выявил несколько компонентов, которые необходимо будет изучать после каждого использования. По мере того, как мы выполним 12-й и 13-й полёт, мы проведём более тщательный анализ, чтобы увидеть, есть ли ухудшение в их состоянии. До сих пор мы были приятно удивлены тем, что не наблюдаем значительной деградации важного лётного оборудования. Таким образом, анализ можно назвать консервативным, но мы будем следить за состоянием служебного оборудования ускорителей”, – отметил Билл Герстенмайер, вице-президент SpaceX по безопасности полётов.

Ремонт

SpaceX заявляют, что в упреждающем порядке заменяют некоторые компоненты ускорителей, в том числе защиту двигателя с водяным охлаждением, которая представляет собой гибкие части кормового теплозащитного экрана, защищающего компоненты двигателя внутри отсека при повторном входе в атмосферу. Также компания заменяет подвижное соединение, по которому окислитель подаётся к двигателям. “Оно постоянно двигается вверх и вниз, и немного изнашивается. Там три уплотнения и мы иногда находим утечку между ними. Возможно, в какой-то момент нам придется заменить некоторые из этих элементов, но мы в обычном порядке следим за всем этим. Больше всего мы опасаемся ранее неизвестных проблем. Наш анализ говорит о том, что у нас большой запас прочности компонентов, но реальные запуски немного отличаются от того, что есть в наших моделях, и мы не можем знать всего, что может произойти. Но мы всегда продолжаем искать слабые места”, – добавляет Герстенмайер.

У SpaceX есть три класса проверок:
— Класс A – после каждого полёта
— Класс B – предполагает периодическое техническое обслуживание, которое проводится каждый шестой или седьмой полёт
— Класс C – тщательный процесс технического обслуживания, он используется для много раз летавших ускорителей и для всех пилотируемых миссий.

“Большая часть работы, которую мы делаем, — это превентивные меры, осмотр и проверки. Теоретически, их можно будет убрать, как только мы узнаем всё, что можем узнать, но пока мы их делаем, потому что у нас есть на это время и возможность”, – говорит Эдвардс.

Долой проверки!

Герстенмайер в SpaceX активно работает над тем, чтобы сместить акцент с проверки надёжности на то, как производятся и собираются ракеты. “Мы пытаемся изменить начало процесса проверок на саму сборку, тогда она будет надёжнее и вам не придется беспокоиться о проверке ракеты после каждого полёта. Я могу убрать проверки и не увеличить риск, потому что у нас гораздо больше перепроверяемых процессов, когда ракета ещё собирается”, — добавляет он.

Отказ от требований, которые изжили себя, продолжает он, является важной частью процесса итерации любой деятельности в SpaceX, в том числе и производства ракет: “Мы находимся в постоянном режиме обучения. Мы позволяем оборудованию говорить с нами и сообщать нам, что происходит, что меняется, и где имеет смысл убрать лишнее действие, и по большей части – это оказывается верным решением”.

Например, компания изменила требование о выполнении статического огневого испытания каждый раз, когда снимается двигатель: “Теперь нам нужно снять сразу три двигателя, прежде чем мы приступим к огневому испытанию, потому что мы решили, что можем просто подсоединить все топливопроводы, убедиться, что они герметичны и всё работает. Мы убрали из расписания около 14 огневым испытаний, которые требовались бы по нашим старым критериям, и все 14 из этих запусков были запущены с первой попытки”.

SpaceX также отменили требования выполнять огневые тесты после замены колеса турбины. Вместо этого компания добавила на двигатель несколько акселерометров, чтобы убедиться, что такое колесо работает правильно. В случае возникновения проблем прибор может инициировать автоматическое прерывание старта за полсекунды до пуска. “Мы используем обратный отсчёт, чтобы заменить часть огневого испытания», — говорит Герстенмайер.

Об ошибках прошлого и паранойе SpaceX

Невозможность отказаться от множества требований была основной причиной, по которой система Space Shuttle так и не смогла приблизиться к прогнозируемой частоте полётов, отмечает Герстенмайер, бывший помощник директора NASA, курировавший Shuttle, МКС ​​и программы пилотируемых космических полётов агентства. В 1984 году NASA выполнило девять полётов, а в 1992–1997 годах – семь или восемь миссий за год.

“В той программе мы были вынуждены быть консервативными по целому ряду причин, и мы никогда не могли отменить требования. Я пытался убрать их, но не смог, это заняло бы у меня десяток лет. Например, в начале программы нужно было снимать основные двигатели корабля после каждого полёта для проверки. Но после нескольких полётов проверки не выявили никаких проблем. Если у вас есть оборудование, готовое к полёту, вам лучше не разбирать его для проверки. Вам нужно проверять его только тогда, когда оно уже использовалось достаточно долго и начинает подходить к границам проверочного интервала.

Но нам не разрешали делать это в проекте Space Shuttle. В SpaceX же мы пользуемся преимуществами удаления некоторых требований, а затем, если мы удаляем слишком много, мы можем вернуть их обратно, без вреда и нарушения норм безопасности.

Когда-то раньше NASA действовало аналогичным образом, но по мере того, как агентство сталкивалось с проблемами, оно становилось более консервативным. Мы становились все более бюрократичными. Это естественно для крупных компаний, но я хочу убедиться, что этого не произойдет в SpaceX. Нам нужно сохранить ту же гибкость в правилах, то же стремление к инженерному совершенству. Это непросто, потому что вы входите в такой режим, когда говорите: “Я всегда поступал так; зачем нам меняться?” Но вы должны оставаться голодными — или, как говорят в SpaceX, оставаться параноиком — и продолжать искать то, что вы можете сделать лучше”, — отмечает Герстенмайер.

Starlink, как тестовый полигон SpaceX

Block 5, представленная SpaceX как финальная версия Falcon 9, на самом деле продолжает развиваться. Аппаратные изменения включают модернизированный теплозащитный экран и модификацию 2-й ступени. Большинство изменений на данный момент предназначены для повышения надёжности системы и быстрого повторного использования.

SpaceX также продолжают вносить операционные изменения, в основном благодаря данным, собранным во время миссий Starlink. Помимо стимулирования к увеличению скорости полётов, запуски Starlink обеспечивают испытательный стенд с относительно низким уровнем риска для лучшего понимания пределов использования ракеты Falcon 9.

“Если есть что-то, что мы не до конца понимаем, мы проверим это, а чтобы понять риск этого – испытаем в миссии Starlink, чтобы получить реальные тестовые данные, а затем применим это к другим миссиям наших клиентов. На самом деле это делает нашу технику более надёжной для пилотируемых миссий, потому что мы смогли немного поэкспериментировать с нашим лётным оборудованием”, — говорит Герстенмайер.

SpaceX использует миссии Starlink для изменения профилей тяги Falcon 9, чтобы иметь более полное представление о надёжности и эксплуатационных характеристиках проверенных в полётах ускорителей. Компания извлекла уроки из преждевременных отключений двигателей во время запусков Starlink в марте 2020 года и феврале 2021 года. В обоих случаях оставшиеся восемь двигателей Merlin компенсировали проблему, но ускорители были потеряны при попытках посадки.

Впервые двигатель отказал во время четвёртого полета Falcon 9 в октябре 2012 года. Тогда вышел из строя Merlin 1C, однако ракета успешно доставила на орбиту корабль Dragon 1. 18 марта 2020 г. двигатель №3 отключился через 140 секунд после запуска, когда остаточное топливо (скорее всего – очищающая жидкость после процедуры промывки газогенератора) воспламенилось в кислородной секции генератора, что привело к его отказу. Это был первый отказ двигателя Merlin 1D с начала его эксплуатации в 2013 году. Двигатель №9, который находится в центре октавеба (9 двигателей) Falcon 9, отключился через 143 секунды после запуска 16 февраля 2021 года, когда горячий газ проник в двигательный отсек через повреждённую гибкую защиту двигателя, вызвав короткое замыкание в проводке. Это привело к выходу из строя газогенератора, клапан полностью открылся, и двигатель прекратил свою работу.

SpaceX решили эту проблему, использовав более совершенную защиту и изменив ПО для обнаружения подобных неисправностей: “Это пример того, как мы не просто решили проблему, но и защитили другие двигатели, которые потенциально были уязвимы. Потом мы обнаружили и программную проблему. Если вы встречаете такое, это хорошая возможность, чтобы предотвратить будущую неудачу, о которой вы даже не подозревали”.

SpaceX также использовали миссии Starlink для экспериментов с синхронизацией между разделением первой ступени и запуском двигателя второй ступени. Сейчас ступени успевают разлететься друг от друга на 25 метров, прежде чем через 0,25 секунды стартует двигатель второй ступени: “Мы смотрим на то, на сколько раньше можно было бы зажигать двигатель, но не повреждать при этом оборудование на первой ступени”, — говорит Дженсен.

Створки обтекателя 

А ещё миссии Starlink предоставляют SpaceX испытательный стенд для определения времени сброса створок обтекателя. Клиенты обычно предъявляют строгие требования к моменту отделения обтекателя, чтобы разреженные атмосферные частицы не нагревали их полезную нагрузку: “В миссиях Starlink мы постепенно начали сбрасывать обтекатель раньше и обеспечивать всё более и более сильный нагрев. Теперь он более чем в 10 раз превышает нагрев, который обычно допускается для миссий наших клиентов”.

На данный момент SpaceX имеют 18 комплектов обтекателей (36 створок) и планируют использовать их для 15 полётов, по сравнению с нынешними 10.

Варп “двигатель” SpaceX

Способность SpaceX так быстро тестировать, анализировать и итерировать свои системы основывается на электронной системе тестирования и обработки под названием – Warp. Чтобы построить ракету, технические специалисты вводят данные в компьютер, где директор по безопасности полётов может контролировать этот процесс в реальном времени: “Это неслыханно для NASA. Примерно через месяц я бы получил какой-нибудь бумажный бланк, на котором я бы увидел, что кто-то просто написал неправильное значение крутящего момента… Если в SpaceX я увижу что-то, что мне не нравится, я могу спуститься на этаж и поговорить с этим человеком”, — говорит Герстенмайер.

Система данных включает в себя автоматизированный процесс проверки данных под названием Hyperion, который принимает информацию от ракеты для её первоначальной проверки, чтобы убедиться, что все параметры верны. Другой электронный инструмент управляет рабочим процессом, который, по сути, позволяет узнать, когда ракета готова к полёту: “В NASA это был бумажный процесс с кучей встреч. Теперь это электронные данные, которые вы можете просмотреть и всё выяснить. У нас есть огромное количество показателей, которые помогают нам взглянуть на надёжность с совершенно другой точки зрения. Например, если инженеру нужно внести изменение, он может открыть заявку на ошибку и задокументировать её, например, что постполётные проверки обнаружили конкретную проблему с конкретной деталью. Инженеры рассмотрят это, и Warp отметит аналогичные проблемы, которые могли возникнуть в предыдущих полётах. Чтобы внести изменение, инженер открывает заявку на изменение, которую затем проверяют несколько человек, чтобы убедиться, что модификация не повлияет на какую-либо другую систему.

Затем Warp автоматически запускает процесс планирования, перечисляя детали, которые необходимо заменить, и выдавая инструкции по рабочим заданиям. “Всё это находится в одной огромной корпоративной системе, которую построили SpaceX. В этом преимущество компании, имеющей большой опыт разработки ПО. Мы также извлекаем огромную пользу, глядя на то, что делает автомобильная промышленность и как она достигает своей высокой надёжности. Мы наняли несколько человек на производство из автомобильной промышленности и внедрили этот опыт у себя. Мы также строим 20 000 фазированных антенных решёток в неделю для системы Starlink. Всё это неслыханно!”, — говорит Герстенмайер.

Весь это опыт компании используется в производстве двигателей Raptor, которые по плану должны производиться с невероятной скоростью для космической индустрии – один в 18-24 ч.

“Мы используем передовой опыт, внедряем инновации и остаёмся очень гибкими”, – подводит итог Билл Герстенмайер.

Слышать такое от одного из самых дотошных, консервативных и профессиональных спецов космической индустрии, пожалуй, лучшее доказательство достижений компании, которая ломает рамки привычного и создаёт самые невероятные, эффективные и безопасные космические системы современности.