Słowo wstępu
Od 2002 roku amerykańska firma SpaceX należąca do Elona Muska systematycznie przedstawia i wprowadza do użytku nowe, innowacyjne rozwiązania w dziedzinie kosmonautyki.
Niedawno, tj 30.05.2020 rakieta Falcon 9 szczęśliwie wyniosła na orbitę załogowy statek kosmiczny Dragon, a następnie , bez uszkodzeń, samodzielnie wróciła na powierzchnię. Całość była transmitowana na żywo m.in. w serwisie YouTube. Skrót z tego wydarzenia można zobaczyć m.in. w tym materiale:
Wydarzenie jest kamieniem milowym w rozwoju podboju kosmosu, gdzie od czasu zawieszenia programu wahadłowców w 2011r, całe zaopatrzenie na ISS było dostarczane wyłącznie przy użyciu jednorazowych, rosyjskich rakiet.
Nie byłoby to możliwe gdyby nie m.in. tzw grid fins czyli w wolnym tłumaczeniu stateczniki kratownicowe lub w uznaniu dla wynalazcy, stateczniki Biełocerkowskiego. Jak to działa? Kiedy zostało wynalezione i przez kogo? O tym w dalszej części materiału.
Historia
Stateczniki Biełocerkowskiego zostały wynalezione w ZSRR w latach 50-tych XX wieku przez zespół Siergieja Biełocerkowskiego, a następnie wykorzystywane od lat 70-tych w radzieckich rakietach balistycznych. Następnie od lat 80-tych zaczęto je wykorzystywać przy sterowaniu naddźwiękowych rakiet typu powietrze-powietrze oraz w pociskach manewrujących. Zdjęcie wynalazcy po lewej.
Zasada działania
W rakietach, stateczniki kratownicowe pełnią dokładnie tę samą rolę co spojlery na skrzydłach samolotów. Oba urządzenia wykorzystują siły aerodynamiczne do kontrolowania położenia przestrzennego statku powietrznego.
Klasyczne powierzchnie sterowe jak lotki czy spojlery doskonale działają przy niskich, poddźwiękowych prędkościach. Niestety, wraz ze zwiększaniem prędkości, siła potrzebna do ich poruszenia jest coraz większa, a ich efektywność drastycznie spada. Zwłaszcza w zakresie prędkości naddźwiękowych.
Dzieje się tak z dwóch powodów. Jednolita powierzchnia hamuje przepływ powietrza – a im jest on szybszy tym potrzeba do tego większej siły. Dokładnie to samo się dzieje gdy wystawimy rękę za okno w szybko jadącym samochodzie.
Kolejnym powodem jest fakt, że zazwyczaj powierzchnie sterowe są mocowane na krawędziach spływu skrzydeł <w ich tylnej części>. W tym rozwiązaniu przy prędkościach okołodźwiękowych na przedniej powierzchni skrzydła powstaje fala uderzeniowa, a lotki będąc za czołem fali – pozostają w jej turbulentnym cieniu aerodynamicznym tym samym stając się znacznie mniej efektywnymi. Podobnie jak fakt, że ludzie są bez problemu w stanie utrzymać się na powierzchni stojącej wody w basenie, a większość tonie we wzburzonych wodach rwących górskich potoków. Patrz, rysunek poniżej.
Przy 1Ma fala jest prostopadła do powierzchni skrzydła.
Im większa prędkość Macha tym czoło fali ma bardziej stożkowy kształt.
Źródło: [1]
Należy też pamiętać, że rakieta Falcon 9 ląduje tyłem do kierunku startu z prędkościami znacznie przekraczającymi 10 prędkości dźwięku (ponad 10 Machów). Stąd do manewrowania potrzebuje rozwiązań umożliwiających tak samo efektywne sterowanie w obu kierunkach lotu ( i do tego odpornych na działania wysokich temperatur) podczas gdy standardowe skrzydła czy stateczniki działają dobrze tylko w locie na wprost.
Przy tak dużych prędkościach stateczniki kratownicowe zachowują się zupełnie inaczej niż skrzydła.
Zdjęcie po lewej przedstawia komputerową analizę poddźwiękowego przepływu powietrza wokół rakiety oraz statecznika kratownicowego. W zakresie tym gaz zwyczajnie „przelatuje” przez „oczka” prostopadle ustawionej kraty bez większego oporu. Jednakże odchylenie jej od tej pozycji spowoduje skierowanie przepływu za kratą prostopadle do jej płaszczyzny niczym powierzchnie sterowe skrzydeł. Co więcej, taką kratę możemy pochylić bez większego trudu w dowolnym kierunku, góra, dół oraz obracać prawo i lewo.
W momencie przekraczania bariery dźwięku, fale uderzeniowe zaczynają się formować wewnątrz kratownicy znacznie blokując przepływ. Prowadzi to do sytuacji, w której przy prędkościach ok 1Ma kratownica zachowuje się jak jednolita płyta wytwarzając wyłącznie znaczny opór. Oznacza to, że stateczniki Biełocerkowskiego zupełnie nie działają w prędkościach około 1Ma. Jednak przy jeszcze większych prędkościach jest tylko lepiej.
Jak przedstawiono na obrazku powyżej szarą kreską, wraz z nabieraniem prędkości kąt fali uderzeniowej zaczyna się wyostrzać do wewnątrz kratownicy znacznie redukując jej opór. Przy prędkościach powyżej ~2Ma fale od poszczególnych segmentów kratownicy przestają się krzyżować w jej obrębie tym samym odblokowując przepływ powietrza. Od tego momentu efektywność kratownicy jest dużo większa od tradycyjnego statecznika.
Zalety
Stateczniki kratownicowe, poza tym, że są bardzo skuteczne w zakresie wysokich prędkości naddźwiękowych, można łatwo składać w locie, tym samym powierzchnie te praktycznie nie „przeszkadzają” podczas startu rakiety, a system automatycznie je rozkłada, gdy są potrzebne – do lądowania. Klasyczne stateczniki stawiają opór w każdej fazie lotu.
Do poruszania takim statecznikiem potrzeba znacznie mniejszej siły od tej wymaganej dla klasycznych lotek w analogicznym zakresie prędkości. Są znacznie mniejsze.Ich symetria umożliwia działanie z taką samą skutecznością w obu kierunkach lotu.
I ostatecznie, kąt przeciągnięcia dla powierzchni kratownicowych jest znacznie, znacznie większy od kąta przeciągnięcia klasycznych stateczników. Nawet powyżej 45 stopni, podczas gdy zwykłe stateczniki zazwyczaj osiągają granice swoich możliwości przy 15 stopniach lub mniejszych kątach natarcia.
Zastosowanie praktyczne w Falcon 9
Stateczniki są rozkładane już w początkowej fazie wchodzenia w ziemską atmosferę. Rakieta ta została tak zaprojektowana by wracać na powierzchnię z możliwie jak największą prędkością, a dopiero tuż przed zetknięciem z ziemią następuje szybkie wyhamowanie. Przy użyciu grid fins oraz ciągu silników rakietowych rakieta jest kierowana w rejon zaplanowanego lądowania. Bez stateczników, nie byłaby możliwa pełna kontrola nad rakietą, a co za tym idzie, na pewno utraciłaby swoją pionową orientację względem ziemi. Silniki w trakcie schodzenia działają na minimalnej mocy lub całkowicie są wyłączone oszczędzając paliwo.
Końcowa faza lądowania Falcon 9, w górnej części rakiety widać grid fins. Zaskakujący jest również kąt pod jakim potrafi się znaleźć rakieta tuż przed lądowaniem.
W trakcie wchodzenia w atmosferę stateczniki rozgrzewają się do czerwoności. Początkowo wykonywano je z aluminium pokrytego specjalną farbą uodparniającą je na wysoką temperaturę. Mimo to, tak wykonane stateczniki po każdym wejściu w atmosferę były dość mocno zużyte i wymagały częstych wymian. Stąd z czasem jednak zmieniono ten element i zaczęto wykonywać go z czystego, grubego tytanu, a samą konstrukcję przeprojektowano. Producent deklaruje, że mimo ok 10 krotnie wyższej ceny, element nowego typu nie wymaga wymiany przez cały okres eksploatacji rakiety.
Zdjęcia poniżej.
Aluminiowy statecznik po lądowaniu 
Nowy, tytanowy statecznik z boku 
Porównanie nowego (po prawej) i starego typu grid fin 
Grid fins w trakcie schodzenia do lądowania
Podsumowanie
Grid fins to bardzo kreatywne rozwiązanie, bez którego idea rakiet wielokrotnego użytku byłaby prawdopodobnie technicznie niemożliwa lub znacznie droższa niż jest. Niestety polskich źródeł na ten temat jest niezmiernie mało, a wszystkich zainteresowanych dalszym zgłębianiem tematu szczególnie zachęcam do eksploracji angielskiej części Internetu. Użytkownik Everyday Astronaut nagrał na ten temat bardzo dobry i przystępny materiał. Zachęcam do oglądania:
Źródła:
[1]. https://www.aircraftsystemstech.com/2017/05/high-speed-flight.html
[2]. https://en.wikipedia.org/wiki/Stall_(fluid_dynamics)
[3]. https://www.quora.com/What-exactly-are-grid-fins-What-purpose-do-they-serve-and-why-did-they-help-SpaceX-so-much
[4]. https://en.wikipedia.org/wiki/Grid_fin
