יום רביעי, 23 בדצמבר 2015

ספייס-אקס חוזרים ובגדול!

רגע חשוב בתולדות עידן החלל התרחש אתמול בלילה.
חברת השיגורים SpaceX ביצעה את הנחתת השלב הראשון של משגר הלווינים פלקון-9 בפעם הראשונה תוך כדי שיגור לווינים למסלולם, בהצלחה מלאה ובאתר הנחיתה הייעודי בקייפ קנברל.



[הערה: רשומה זו הופיעה לראשונה בדף הפייסבוק "מדע גדול, בקטנה", שבו אני שותף.
עדכון - פורסמה גם באתר "הידען".]



לטובת מי שלא מצוי בענייני החלל, נתחיל מההתחלה:

חברות השיגור הן הדרך היחידה כיום להגיע למסלול סביב כדור הארץ או להרחיק אל הירח, כוכבי הלכת האחרים ולכל יעד שאינו כדור הארץ. עד לאחרונה כל חברות השיגור היו בבעלות ממשלתית מלאה או חלקית כי הן הוקמו במקור לצרכים בטחוניים על בסיס טכנולוגיה שנועדה לאמצעי לחימה או לשיגור לווינים לשימוש צבאי כמו לוויני צילום. בשנים האחרונות ניכרת מגמה ברורה של שינוי.

בשני העשורים האחרונים ניכר ביקוש הולך וגובר ללווינים מסחריים. החלל מציב בפני יזמים פוטנציאל מסחרי בתחומים שבהם יש יתרון ברור לגובה, למהירות, למעבר מעל כל מקום על פני כדור הארץ או צירוף של כל השלושה יחד. התחומים הולכים ונעשים מגוונים יותר ויותר עם ההתפתחות הטכנולוגית, וכיום ניתן למצוא שימוש בלווינים עבור העברת תקשורת מכל סוג (אינטרנט, טלוויזיה, רדיו, טלפוניה ומידע), מיפוי לתכנון ערים ותשתיות בקנה מידה גדול, חיזוי מזג אוויר, סריקת הקרקע לזיהוי מינרליים לכרייה, איתור והצלה, ניווט מדוייק, ניהול מצבי אסון רחבי היקף, חקלאות ואפילו ארכיאולוגיה. לחובבי מספרים, שוק תעשיית החלל העולמי גדל בעשור האחרון מ- 60 ב- 2004 למעל 200 מיליארד דולר לשנה ב- 2014.

שירותי השיגור נותנים אפשרות לשיגור מטענים של מספר טונות למסלולים שונים בתמורה ל- 10-20 אלף דולר לקילוגרם של מטען (תלוי בחברה ובעיקר במסלול המבוקש). כך שאם המסה של לווין ממוצע היתה 4 טונות, אז מחיר השיגור היה כ- 60 מיליון דולר לפני עלויות ביטוח.

פלקון-9 לקראת השיגור האחרון.

השוק לא נותר אדיש, והתפתחות טכנולוגיות מיחשוב ואלקטרוניקה זעירה מאפשרת היום לתכנן לווינים קטנים ששוקלים פחות ולכן יותר זולים לשיגור. חברות השיגור מתאימות את עצמן ומאפשרות שיגור מספר לווינים קטנים במקום לווין אחד גדול, או בנוסף אליו. אבל עדיין, עלויות השיגור מכריעות חברות קטנות שלא מסוגלות לעמוד בהוצאות כאלה.


חברת SpaceX היא החברה הפרטית הראשונה שהעזה להיכנס לתחום בכוונה ברורה להוריד את מחירי השיגורים לחלל. החזון שלהם מרחיק לכת עד מאד - להפוך את האנושות לחברה רב-פלנטרית על ידי איכלוס מאדים. לשם כך יידרש לשגר הרבה מאד מטענים גדולים לחלל, והדרך להשיג זאת היא הוזלת מחירי השיגור. החברה הוכיחה שלמעשה אין הצדקה אמיתית לעלויות השיגור וניתן לחתוך אחוזים ניכרים ממנו עוד לפני שינויים טכנולוגיים עמוקים. לצורך כך הם גם פיתחו מנועים חדשים ומערכות אוויוניקה מקוריות ולמעשה כל הפיתוח והייצור הוא שלהם למעט רכיבים מעטים פה ושם. הם החלו לשגר לווינים ב- 2010, ואף קיבלו חוזה גדול מנאס"א לשיגור אספקה לתחנת החלל הבינלאומית באמצעות החללית "דרגון", שפותחה על ידי SpaceX לשם כך. הכניסה שלהם לשוק השיגורים היתה כל כך מוצלחת, שכמות ההזמנות הפכה אותם לאחת מחברות ייצור הטילים הגדולות בעולם.



חללית "דרגון" סמוך לתחנת החלל הבינלאומית.

השלב הבא בהוזלת עלויות השיגור, הוא שימוש מחדש בשלבי המשגר. עלות השיגור נובעת מהצורך לייצר משגר חדש עבור כל שיגור, ולכן לא פלא שהעסק יקר בטירוף. הרי אילו היה צורך לייצר מטוס חדש עבור כל טיסה בין מדינות, כרטיס טיסה היה עולה לנו מיליוני דולרים. לפי SpaceX, עלות הייצור של הפלקון-9 הוא כ- 60 מיליון דולר, ולכן מחיר השיגור צריך לפחות לכסות את העלות הזאת. אבל עלות הדלק היא רק 200 אלף דולר (פי 300 פחות!), אז אילו ניתן יהיה להחזיר את השלב הראשון לאתר השיגור, להרכיב עליו שלב שני ואת הלווינים שעליו, ולתדלק אותו מחדש, אפשר יהיה להוזיל את מחיר השיגור בערך פי 100 מהמחיר הנוכחי!


שלב ראשון שחוזר לנחיתה דורש מערכת כנפונים, גז לניהוג, ורגלי נחיתה. בנוסף עליו להכיל מספיק דלק גם על מנת להרים את השלב השני והמטען שלו את רוב הדרך למסלול, וגם כדי לבלום את המהירות הרבה שצבר וכדי לצמצם את מהירות הנפילה לקרקע, כי אחרת יתרסק. הגורמים הללו באים על חשבון מסת המטען שעולה למסלול, אבל די ברור שזה שווה את המאמץ.

SpaceX עובדים גם על החזרת השלב השני, ששם יש אתגר גדול יותר של החזרה ממסלול והתמודדות עם החום בכניסה לאטמוספירה.


נחיתת שלב ראשון של פלקון-9 על ספינת משטח נחיתה רובוטית ב- 15/4/2015.
השלב נחת, אבל פגע בספינה במהירות גבוהה מדי, שבר שתיים מרגלי הנחיתה והתרסק.

2015 היתה אמורה להיות שנה מיוחדת עבור SpaceX. שיגור כמעט כל חודש, ניסוי ראשון למשגר החדש פלקון-כבד, שמורכב למעשה משלושה שלבים ראשונים של פלקון-9 זה לצד זה, וניסויים להנחתת השלב הראשון בביטחה על ספינת משטח נחיתה רובוטית שפותחה עבור כך, עם סיכויי הצלחה טובים במהלך השנה. ואז - 


לאחר 18 שיגורים מוצלחים (רצף שאין שני לו במשגרים חדשים), ב- 28 ביוני 2015 נכשל משגר פלקון-9 והתפוצץ כ- 138 שניות לאחר השיגור כתוצאה מקריסת מוט חיזוק שאחז במיכל הליום שהותקן בתוך מיכל המחמצן של השלב השני של הטיל. המוט קרס בחמישית מהעומס שתוכנן עבורו, כך שהתקלה ככל הנראה נובעת מליקוי בייצור ובבקרת האיכות של הרכיב. SpaceX נכנסה לחצי שנה של עוצר שיגורים לצורך חקירה, למידת הלקחים ויישומם.


באוקטובר הוכרז לבסוף על שיגור מקייפ קנברל שבפלורידה כחצי שנה לאחר הכשלון. הייתם מצפים מחברה רגילה שתבצע שיגור זהה ככל שניתן לשיגור שנכשל כדי להוכיח שהכל חזר לקדמותו ואפשר להמשיך, אבל SpaceX איננה חברה רגילה. השיגור שתוכנן נקנה על ידי חברת התקשורת Orbcomm והמטען הוא 11 לווינים שמיועדים למסלול נמוך. עד כאן זה נשמע נורמלי, אבל בנוסף הסתבר שמדובר בפלקון-9 "משופר", עם שלב שני מוארך בעל מנוע שמסוגל לייצר דחף חזק יותר, ומתודלק בדלקים שמקוררים לטמפרטורות הרבה יותר נמוכות מהרגיל, כך שניתן לדחוס יותר מהם למכלים. בסה"כ מעריכים שהביצועים ישופרו ב- 30%, כדי לאפשר גם בשיגורים עוצמתיים יותר (למשל למסלולים גבוהים), לשמור מספיק דלק להחזרת השלב הראשון.


על כל זאת נוסף גם הדובדבן שבקצפת: השיגור יכלול ניסיון נחיתה נוסף, והפעם ביבשה. SpaceX השיגו כבר לפני חודשים רבים אתר נחיתה ששמו אזור נחיתה 1 (LZ-1) בקייפ קנברל, שבו הוצבו משטחי בטון גדולים לנחיתה.


תכנית השיגור ב- 22/12/2015. איור: zlsa

השיגור בוצע בהצלחה היום לפנות בוקר, 22/12/2015 03:29 שעון ישראל, וכל מה שקרה מאותו הרגע (ולמעשה קצת לפניו) הוא אוטונומי לחלוטין, ללא התערבות אנושית. השלב הראשון הופרד כשתיים וחצי דקות לאחר מכן בגובה של כ- 80 ק"מ ובמהירות של 6,000 קמ"ש. השלב השני הפעיל את המנוע והמשיך לטפס ולצבור מהירות כדי להיכנס למסלול, בעודו מתרחק מהשלב הראשון.

השלב הראשון המשיך לצבור גובה עקב המהירות הגבוהה שלו, והחל להסתובב באמצעות מנועי גז קטנים כדי להפנות את המנועים הראשיים לכיוון ההפוך למהירות האופקית שלו. בסביבות 3:50 דקות מהשיגור הופעלו שוב שלושה ממנועי השלב הראשון כדי לבלום את מהירות הטיסה שלו ולהחזירו אל מעל אתר הנחיתה.
בשלב שיא הגובה, כ- 210 ק"מ מעל המים שמול קייפ קנברל, התחיל השלב הראשון בנפילה חופשית, שמיוצבת באוויר הדליל של האטמוספירה באמצעות ארבעה סנפירי רשת (Grid Fins) בחלקו העליון. המשגר מכוון את עצמו במדוייק לכיוון אתר הנחיתה, אבל מאיץ כלפי מטה בגלל כוח הכבידה. בגובה 72 ק"מ בערך הופעלו שוב שלושת המנועים כדי להאט את מהירות הנפילה. המנועים כובו שוב בגובה של כ- 40 ק"מ.
כ- 30 שניות לפני המגע בקרקע הופעלו המנועים בפעם האחרונה, ואיפשרו לצופים לראות את השלב למרות החשכה. הסנפירים ניווטו את המשגר אל מעל אתר הנחיתה המיועד, בדיוק מעל ה- X שבמרכזו.
שניות לפני המגע בקרקע נפרשו רגלי הנחיתה, שספגו וריסנו את עוצמת הפגיעה במשטח הבטון, ולאחר מכן כובו המנועים.

מה שקרה בדקות שלאחר מכן הוא צהלות שמחה והתרגשות של כל עובדי SpaceX ושל כל חובבי החלל בעולם כולו. ולא בכדי.

האירוע הוא אבן דרך אדירה בדרך של האנושות לחלל. לא פחות מכך.


צילום  בחשיפה ארוכה של שובל השיגור ושובל הנחיתה.

שיטות השיגור לחלל נותרו מקובעות במשך עשרות שנים. רוב השיגורים מתבצעים על שאריות מהמלחמה הקרה. התעשייה מסורתית מדי ולא אוהבת שינויים למרות שדרישות השוק משתנות וזקוקות לשינוי. אלה הן פניו של "החלל החדש" (New Space), וההתפתחות הטכנולוגית בתחומי המיחשוב, האלקטרוניקה, והאופטיקה לא יכולה לסבול דריכה במקום בתחומים אחרים. הוזלה משמעותית של מחירי השיגור יהפכו את החלל לנגיש גם עבור חברות קטנות, ובמקביל עבור אנשים שאינם ברשימת העשירים ביותר.

עוד רחוק היום שבו נוכל למצוא משרה מבטיחה במאדים ולהגר לשם, אבל אתם יודעים מה? זה לא בהכרח מעבר לאופק. גם אם אנחנו לא נוכל לעשות זאת, סיכוי לא רע שנספיק לראות אחרים מגיעים לשם.
יש למה לצפות, וזו לא הרגשה נפוצה בתקופה זו.


השלב הראשון של הפלקון-9 ניצב בסיום האירוע על משטח הנחיתה.

להלן שידור האירוע כולו. הנחיתה ב- 32:23.



____________________________
שתי הערות לסיום:
  1. יש לי גם סיבה אישית להתרגש מההצלחה של SpaceX: פלקון-9 הוא המשגר שמיועד לשגר את החללית של עמותת SpaceIL שתטוס לירח, פרוייקט שאני בצוות ההנדסי שלו. מאד משמח שהם לא רק עומדים בציפיות אלא גם מפתיעים ביכולת להתעלות עליהן.
  2. אם נראה לכם שנחיתת השלב הראשון היתה מרהיבה, אז כדאי לדעת שבמהלך 2016 הם הולכים לבצע שיגור ניסוי של טיל חדש ששמו Falcon-Heavy, שנועד להרמת מטענים גדולים ביותר למסלול. לטיל הזה יש שלושה שלבים ראשונים שיפעלו יחד עד נקודת ההפרדה, ואז אפשר לצפות לשלושה שלבים ראשונים שחוזרים יחדיו ובאופן מתוזמן לאתר הנחיתה. זה יהיה מחזה ששווה לצפות לו!

3 תגובות:

  1. אכן מרגש! תודה על הפוסט המחכים.
    שאלה מעניינת בהקשר זה: איך מתמרנים טיל, בניגוד למטוס, לעשות פניית פרסה? שהרי מסלול ההמראה מרחיק אותו מזרחה מעל האוקיינוס.

    השבמחק
    תשובות
    1. לטיל יש מנועים חזקים מאד. הסוד הוא איך להפוך את הכיוון שלהם, ואת זה הם עושים באמצעות מנועים נוספים שנועדו רק בשביל זה ונמצאים בחלק העליון של הטיל.

      מחק