Laissez fleurir une centaine de missiles réutilisables

En 2013, alors que Musk était sur le point de réutiliser la première étape, j'ai fait un post avec le calcul et les estimations des coûts de masse pour différentes méthodes d'atterrissage. Maintenant que les étapes réutilisables ne surprennent plus personne, il est intéressant de voir quelles options volent et sont développées.


Atterrissage des blocs latéraux Falcon Heavy, photo SpaceX

Les moteurs

Dans le poste initial, l'apport minimum de carburant possible a été calculé sur la base d'un freinage final à une vitesse limitée par la résistance de l'air. En réalité, l'étage Falcon 9 freine jusqu'à trois fois - la première inclusion l'amène sur la trajectoire d'atterrissage, la deuxième fois que les moteurs sont allumés pour réduire la charge thermique et seule la troisième inclusion est effectuée directement pour l'atterrissage. Nous ne disposons pas de données exactes directement depuis SpaceX, mais il existe une simulation de mission de flightclub.io . Essayons de comparer.

Les calculs effectués en 2013 ont donné un minimum de 2 tonnes de carburant pour le freinage à partir d'une vitesse de chute libre de 260 m / s. Lors du premier atterrissage réussi le 8 avril 2016 dans la mission SES-8, la simulation du flightclub donne une vitesse pour le moment où le moteur était allumé à 288 m / s (deviné par hasard, mais l'ordre des nombres n'aurait pas dû être différent), mais plus de carburant a été dépensé, 6 tonnes - et la fusée pendant trois ans, il est devenu plus lourd, et dans la simulation, on pense qu'en conséquence, près de 5 tonnes de carburant resteront dans la scène.



Mais cela, en général, n'a pas une importance particulière, car avant la première inclusion dans les marches, la réserve est d'environ 50 tonnes, soit plus de deux fois le poids sec de la marche.



Pour une mission avec un pas en arrière vers le site d'atterrissage vers le début, l'approvisionnement, bien sûr, s'avère important, mais pas parfois - le freinage pour viser une barge consomme beaucoup plus de carburant qu'il n'y paraît. Lors de la première mission de retour au lancement, Orbcomm OG2-2 (décembre 2015), la réserve de carburant de simulation du flightclub est estimée à 61 tonnes.



Pour les charges utiles lourdes, une marche ne peut faire que deux départs et la barge est placée plus loin le long de la trajectoire de vol. Par exemple, dans une récente mission Starlink 3, l'approvisionnement en carburant était censé être d'environ 24 tonnes, ce qui est comparable à la masse de la phase sèche (vraisemblablement 26,3 tonnes).

Parachutes

Comme toute solution d'ingénierie, les parachutes ont des avantages et des inconvénients. D'une part, ils sont parfaits pour ralentir une chute et peuvent réduire la vitesse à quelques mètres par seconde. Mais pour un atterrissage très doux, la zone requise commence à croître de manière irrationnelle - certaines solutions supplémentaires sont nécessaires. Et avec un atterrissage de précision, même sur des dômes contrôlés, il y a des problèmes. SpaceX attrape les carénages de tête par le navire, tandis que la douceur de l'atterrissage est assurée par un énorme filet, mais jusqu'à présent, les carénages manquent souvent la cible. Les propulseurs latéraux de la navette spatiale ont atterri sur des parachutes - leur conception était plus serrée que celle des marches à moteur liquide, et l'atterrissage sur l'eau a adouci le coup. Les propulseurs latéraux du lanceur Energia étaient censés parachuter,et l'impact sur la surface était censé être atténué par des moteurs à atterrissage en douceur et des roulements avec amortisseurs, mais en pratique, ils n'ont pas réussi à vérifier ce concept. La fusée suborbitale SARGE d'Exos Aerospace est maintenant en parachute, qui, en raison de son poids léger et de sa résistance structurelle, peut survivre à un impact sur le sol.

Vous pouvez évaluer la rigidité de l'atterrissage par vidéo depuis le côté de la fusée, les grandes marches ne résisteront certainement pas à cela.

https://youtu.be/64cWvxnaG0M

Ailes

Des marches ailées en métal ne sont pas encore apparues. Le projet Adeline pour l'Ariane 6 européenne a été clôturé, bien qu'ils aient réussi à tester une maquette à grande échelle. Sur la base du Baïkal russe, des travaux sont en cours sur le projet Krylo-SV, en 2017-2018, des travaux ont été réalisés dans le cadre de l'avant-projet, des démonstrateurs technologiques sont attendus au plus tôt en 2021.


«Wing-SV» pleine grandeur et un petit démonstrateur

Prise d'air

En fait, l'interception d'air vous permet de réaliser les avantages des parachutes sans leurs inconvénients. L'hélicoptère rattrape l'étape descendant en parachute et vous permet de l'atterrir doucement au bon endroit. Théoriquement, cette option devrait nécessiter un minimum de masse supplémentaire sur la fusée - même les supports d'atterrissage ne sont pas nécessaires. Et c'est très heureux qu'ils n'aient pas oublié cette idée et qu'ils essaieront de la mettre en œuvre.

Rocket Lab, qui ne prévoyait initialement pas de réutiliser la première étape, a changé d'avis à l'automne 2019. Fin 2019 et début 2020, en véritables lancements, le fonctionnement des nouveaux équipements a été vérifié, ce qui a permis une descente contrôlée de la scène. Et la semaine dernière, des tests réussis pour récupérer un prototype d'hélicoptère ont eu lieu. Une tentative pour franchir une étape réelle peut déjà être faite fin 2020.



La United Launch Alliance élabore un concept pour suivre la section arrière du prochain lanceur Vulcan. Son premier vol aura lieu au plus tôt en 2021, et on ne sait pas s'il deviendra immédiatement réutilisable, ou s'il sera introduit plus tard.

Conclusion

L'évaluation faite en 2013 selon laquelle l'atterrissage sur les moteurs serait l'un des plus lourds sur la fusée a été confirmée. Mais cela n'interfère pas avec le bon fonctionnement de la méthode - aujourd'hui, il n'y a tout simplement pas plusieurs concurrents dans la même catégorie de poids et s'efforçant de dériver la charge utile maximale des missiles, où une méthode d'atterrissage de la première étape plus efficace en termes de masse pourrait donner un avantage notable. Plus différents systèmes réutilisables seront mis en œuvre, plus l'expérience acquise pourra répondre à des questions. Peut-être que dans la seconde moitié du siècle, il y aura des solutions optimales qui deviendront la norme.