Lassen Sie hundert wiederverwendbare Raketen blühen

Im Jahr 2013, als Musk gerade dabei war, die erste Stufe wiederzuverwenden, machte ich einen Beitrag mit der Berechnung und Schätzung der Massenkosten für verschiedene Landemethoden. Jetzt, da wiederverwendbare Schritte niemanden mehr überraschen, ist es interessant zu sehen, welche Optionen fliegen und entwickelt werden.


Landung der Seitenblöcke Falcon Heavy, Foto SpaceX

Motoren

In der ersten Veröffentlichung wurde die minimal mögliche Kraftstoffzufuhr basierend auf einer Endbremsung bei einer durch den Luftwiderstand begrenzten Geschwindigkeit berechnet. In der Realität bremst die Stufe Falcon 9 bis zu dreimal - der erste Einschluss bringt sie auf den Landeweg, das zweite Mal, wenn die Motoren eingeschaltet werden, um die Wärmebelastung zu verringern, und nur der dritte Einschluss erfolgt direkt für die Landung. Genaue Daten direkt aus SpaceX stehen uns nicht zur Verfügung, es gibt jedoch eine Missionssimulation von flightclub.io . Versuchen wir zu vergleichen.

Berechnungen im Jahr 2013 ergaben mindestens 2 Tonnen Kraftstoff zum Bremsen bei einer Geschwindigkeit im freien Fall von 260 m / s. Bei der ersten erfolgreichen Landung am 8. April 2016 in der SES-8-Mission gibt die Flugclub-Simulation eine Geschwindigkeit für den Moment an, in dem das Triebwerk auf 288 m / s geschaltet wurde (zufällig erraten, aber die Reihenfolge der Zahlen sollte nicht anders sein), aber es wurde mehr Treibstoff verbraucht, 6 Tonnen - und die Rakete Drei Jahre lang wurde es schwerer, und in der Simulation wird angenommen, dass dadurch fast 5 Tonnen Kraftstoff auf der Bühne verbleiben.



Dies ist jedoch im Allgemeinen nicht von besonderer Bedeutung, da die Reserve vor der ersten Aufnahme in die Stufen etwa 50 Tonnen beträgt, was mehr als dem Zweifachen des Trockengewichts der Stufe entspricht.



Für eine Mission mit einem Schritt zurück zum Landeplatz in der Nähe des Starts stellt sich der Vorrat natürlich als groß heraus, aber manchmal nicht - das Bremsen, um auf das Schiff zu zielen, verbraucht viel mehr Kraftstoff, als es scheint. In der ersten Return-to-Launch-Mission, Orbcomm OG2-2 (Dezember 2015), wird die Treibstoffreserve der Flugclub-Simulation auf 61 Tonnen geschätzt.



Bei schweren Nutzlasten kann ein Schritt nur zwei Starts ausführen, und der Lastkahn wird weiter entlang der Flugbahn platziert. Beispielsweise sollte in einer kürzlich durchgeführten Starlink 3-Mission die Kraftstoffversorgung ungefähr 24 Tonnen betragen, was mit der Masse der Trockenstufe (vermutlich 26,3 Tonnen) vergleichbar ist.

Fallschirme

Fallschirme haben wie jede technische Lösung Vor- und Nachteile. Einerseits eignen sie sich hervorragend zum Verlangsamen eines Sturzes und können die Geschwindigkeit auf einige Meter pro Sekunde reduzieren. Für eine sehr weiche Landung beginnt die benötigte Fläche jedoch irrational zu wachsen - einige zusätzliche Lösungen sind erforderlich. Und bei der Präzisionslandung auch auf kontrollierten Kuppeln gibt es Probleme. SpaceX fängt die Kopfverkleidungen am Schiff auf, während die Weichheit der Landung durch ein riesiges Netz sichergestellt wird. Bisher verfehlen die Verkleidungen jedoch häufig das Ziel. Space-Shuttle-Seitenbooster landeten auf Fallschirmen - ihr Design war enger als das der Stufen mit Flüssigkeitsmotoren, und die Landung auf Wasser milderte den Schlag. Die Seitenverstärker der Energia-Trägerrakete sollten Fallschirmspringen,und der Aufprall auf die Oberfläche sollte durch weiche Landungsmotoren und Lager mit Stoßdämpfern gemindert werden, aber in der Praxis gelang es ihnen nicht, dieses Konzept zu verifizieren. Die suborbitale Rakete SARGE von Exos Aerospace ist jetzt ein Fallschirmspringer, der aufgrund seines geringen Gewichts und seiner strukturellen Festigkeit einen Aufprall auf den Boden überstehen kann.

Sie können die Steifigkeit der Landung per Video von der Seite der Rakete aus bewerten. Große Stufen halten dem definitiv nicht stand.

https://youtu.be/64cWvxnaG0M

Flügel

Geflügelte Stufen aus Metall sind noch nicht erschienen. Das Adeline-Projekt für die europäische Ariane 6 wurde abgeschlossen, obwohl es ihnen gelungen war, ein Großmodell zu testen. Auf der Grundlage des russischen Baikalsees wird an dem Krylo-SV-Projekt gearbeitet. In den Jahren 2017-2018 wurden Arbeiten im Rahmen des Vorprojekts durchgeführt. Technologische Demonstratoren werden frühestens 2021 erwartet.


"Wing-SV" in voller Größe und ein kleinerer Demonstrator

Luftaufnahme

Tatsächlich können Sie durch Abfangen der Luft die Vorteile von Fallschirmen ohne deren Nachteile realisieren. Der Hubschrauber fängt die mit dem Fallschirm absteigende Bühne ein und ermöglicht es Ihnen, sie sanft an der richtigen Stelle zu landen. Theoretisch sollte diese Option ein Minimum an zusätzlicher Masse auf der Rakete erfordern - es werden nicht einmal Landestützen benötigt. Und es ist sehr erfreulich, dass sie diese Idee nicht vergessen haben und versuchen werden, sie umzusetzen.

Rocket Lab, das ursprünglich nicht vorhatte, die erste Stufe wiederzuverwenden, änderte seine Meinung im Herbst 2019. Ende 2019 und Anfang 2020 wurde bei realen Starts der Betrieb neuer Geräte überprüft, die einen kontrollierten Abstieg der Etappe ermöglichten. Und letzte Woche fanden erfolgreiche Tests zur Aufnahme eines Prototyp-Hubschraubers statt. Ein Versuch, einen echten Schritt zu machen, kann bereits Ende 2020 unternommen werden.



Die United Launch Alliance entwickelt ein Konzept für das Heck des Heckteils der kommenden vulkanischen Trägerrakete. Der erste Flug wird frühestens 2021 stattfinden, und es ist nicht bekannt, ob er sofort wiederverwendbar wird oder ob er später eingeführt wird.

Fazit

Die 2013 abgegebene Einschätzung, dass die Landung auf Triebwerken eine der schwersten auf der Rakete sein würde, wurde bestätigt. Dies beeinträchtigt jedoch nicht den erfolgreichen Betrieb der Methode - heute gibt es einfach nicht wenige, die in derselben Gewichtsklasse konkurrieren und danach streben, die maximale Nutzlast von Raketen abzuleiten, wobei eine effektivere Massenlandemethode zur Landung der ersten Stufe einen spürbaren Vorteil bieten könnte. Je mehr verschiedene wiederverwendbare Systeme implementiert werden, desto mehr Fragen können durch die gesammelten Erfahrungen beantwortet werden. Vielleicht wird es in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts optimale Lösungen geben, die zum Standard werden.