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Deja que florezcan cien misiles reutilizables

En 2013, cuando Musk estaba a punto de reutilizar la primera etapa, hice una publicación con el cálculo y las estimaciones de los costos de masa para diferentes métodos de aterrizaje. Ahora que los pasos reutilizables ya no sorprenden a nadie, es interesante ver qué opciones vuelan y se están desarrollando.


Aterrizaje de los bloques laterales Falcon Heavy, foto SpaceX

Motores


En la publicación inicial, el suministro mínimo de combustible posible se calculó en base a un frenado final a una velocidad limitada por la resistencia del aire. En realidad, la etapa Falcon 9 frena hasta tres veces: la primera inclusión lo lleva al camino de aterrizaje, la segunda vez que se encienden los motores para reducir la carga de calor y solo la tercera inclusión se realiza directamente para el aterrizaje. Los datos exactos directamente de SpaceX no están disponibles para nosotros, pero hay una simulación de misión de flightclub.io . Intentemos comparar.

Los cálculos en 2013 arrojaron un mínimo de 2 toneladas de combustible para frenar desde una velocidad de caída libre de 260 m / s. En el primer aterrizaje exitoso el 8 de abril de 2016 en la misión SES-8, la simulación del club de vuelo da una velocidad por el momento en que el motor se encendió 288 m / s (adivinado por casualidad, pero el orden de los números no debería haber sido diferente), pero se gastó más combustible, 6 toneladas y el cohete durante tres años se hizo más pesado, y en la simulación se cree que como resultado, quedarán casi 5 toneladas de combustible en la etapa.



Pero esto, en general, no es de particular importancia, porque antes de la primera inclusión en los pasos, la reserva es de aproximadamente 50 toneladas, que es más del doble del peso seco del paso.



Para una misión con un paso atrás hacia el lugar de aterrizaje cerca del comienzo, el suministro, por supuesto, resulta ser grande, pero no a veces: frenar para apuntar a la barcaza consume mucho más combustible de lo que parece. En la primera misión de regreso al lanzamiento, Orbcomm OG2-2 (diciembre de 2015), la reserva de combustible de simulación de un club de vuelo se estima en 61 toneladas.



Para cargas pesadas, un paso solo puede hacer dos inicios, y la barcaza se coloca más a lo largo de la ruta de vuelo. Por ejemplo, en una misión reciente de Starlink 3, se suponía que el suministro de combustible era de aproximadamente 24 toneladas, que es comparable a la masa de la etapa seca (presumiblemente 26.3 toneladas).



Paracaídas


Como cualquier solución de ingeniería, los paracaídas tienen ventajas y desventajas. Por un lado, son excelentes para frenar una caída y pueden reducir la velocidad a unos pocos metros por segundo. Pero para un aterrizaje muy suave, el área requerida comienza a crecer irracionalmente; se requieren algunas soluciones adicionales. Y con aterrizaje de precisión incluso en domos controlados hay problemas. SpaceX atrapa los carenados de la cabeza junto a la nave, mientras que la suavidad del aterrizaje está asegurada por una enorme red, pero hasta ahora los carenados a menudo no alcanzan el objetivo. Los propulsores laterales del transbordador espacial aterrizaron en paracaídas: su diseño era más ajustado que el de los escalones con motores líquidos, y aterrizar en el agua suavizó el golpe. Se suponía que los propulsores laterales del vehículo de lanzamiento Energia se lanzarían en paracaídas,y se suponía que el impacto en la superficie debía ser mitigado por motores de aterrizaje suave y cojinetes con amortiguadores, pero en la práctica no lograron verificar este concepto. El cohete suborbital SARGE de Exos Aerospace ahora se lanza en paracaídas, lo que, debido a su peso ligero y resistencia estructural, puede sobrevivir a un impacto en el suelo.

Puede evaluar la rigidez del aterrizaje por video desde el costado del cohete, los pasos grandes definitivamente no resistirán esto.

https://youtu.be/64cWvxnaG0M


Alas


Los pasos alados en metal aún no han aparecido. El proyecto Adeline para el Ariane 6 europeo se cerró, aunque lograron probar un modelo a gran escala. Sobre la base del ruso Baikal, se está trabajando en el proyecto Krylo-SV, en 2017-2018, el trabajo se llevó a cabo como parte del proyecto preliminar, se espera que los manifestantes tecnológicos no sean anteriores a 2021.


"Wing-SV" de tamaño completo y un demostrador más pequeño

Recogida de aire


De hecho, la intercepción aérea le permite darse cuenta de las ventajas de los paracaídas sin sus desventajas. El helicóptero atrapa el escenario descendiendo en paracaídas y le permite aterrizar suavemente en el lugar correcto. Teóricamente, esta opción debería requerir un mínimo de masa adicional en el cohete; ni siquiera se necesitan soportes de aterrizaje. Y es muy alegre que no olvidaron esta idea y tratarán de implementarla.

Rocket Lab, que inicialmente no planeaba reutilizar la primera etapa, cambió de opinión en el otoño de 2019. A finales de 2019 y principios de 2020, en lanzamientos reales, se verificó la operación de nuevos equipos, lo que proporcionó un descenso controlado del escenario. Y la semana pasada, se realizaron pruebas exitosas de recoger un helicóptero prototipo. Se puede intentar dar un paso real ya a fines de 2020.



United Launch Alliance está desarrollando un concepto para seguir la sección de cola del próximo vehículo de lanzamiento Vulcan. Su primer vuelo tendrá lugar no antes de 2021, y no se sabe si será reutilizable de inmediato o si se introducirá más tarde.



Conclusión


Se confirmó la evaluación realizada en 2013 de que aterrizar en motores sería uno de los más pesados ​​en el cohete. Pero esto no interfiere con la operación exitosa del método: hoy simplemente no hay varios que compitan en la misma categoría de peso y se esfuercen por obtener la carga útil máxima de los misiles, donde un método de aterrizaje de la primera etapa que sea más efectivo en términos de masa podría brindar una ventaja notable. Cuantos más sistemas diferentes se implementen, más preguntas se podrán responder con la experiencia adquirida. Quizás para la segunda mitad del siglo habrá soluciones óptimas que se convertirán en el estándar.

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