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Que cem mísseis reutilizáveis ​​floresçam

Em 2013, quando Musk estava prestes a reutilizar a primeira etapa, fiz um post com o cálculo e as estimativas dos custos de massa para diferentes métodos de aterrissagem. Agora que as etapas reutilizáveis ​​não surpreendem mais ninguém, é interessante observar quais opções voam e estão sendo desenvolvidas.


Aterragem dos blocos laterais Falcon Heavy, foto SpaceX

Motores


No posto inicial, o suprimento mínimo de combustível possível foi calculado com base em uma frenagem final a uma velocidade limitada pela resistência do ar. Na realidade, o estágio Falcon 9 freia até três vezes - a primeira inclusão o leva ao caminho de pouso, a segunda vez que os motores são ligados para reduzir a carga de calor e apenas a terceira inclusão é feita diretamente para o pouso. Os dados exatos diretamente do SpaceX não estão disponíveis para nós, mas há uma simulação de missão no flightclub.io . Vamos tentar comparar.

Os cálculos em 2013 produziram um mínimo de 2 toneladas de combustível para a frenagem a partir de uma velocidade de queda livre de 260 m / s. No primeiro pouso bem-sucedido em 8 de abril de 2016 na missão SES-8, a simulação do Flightclub fornece uma velocidade no momento em que o motor foi ligado 288 m / s (calculado por acaso, mas a ordem dos números não deveria ter sido diferente), mas mais combustível foi gasto, 6 toneladas - e o foguete por três anos, ficou mais pesado e, na simulação, acredita-se que, como resultado, quase 5 toneladas de combustível permaneçam no estágio.



Mas isso, em geral, não é de particular importância, porque antes da primeira inclusão nas etapas, a reserva é de cerca de 50 toneladas, o que representa mais de duas vezes o peso seco da etapa.



Para uma missão com um passo de volta ao local de pouso próximo ao início, o suprimento, é claro, acaba sendo grande, mas não às vezes - a frenagem por mirar uma barcaça consome muito mais combustível do que parece. Na primeira missão de retorno ao lançamento, Orbcomm OG2-2 (dezembro de 2015), a reserva de combustível de simulação do Flightclub é estimada em 61 toneladas.



Para cargas úteis pesadas, uma etapa pode dar apenas duas partidas e a barcaça é colocada mais ao longo da trajetória de vôo. Por exemplo, em uma recente missão Starlink 3, o suprimento de combustível deveria ser de aproximadamente 24 toneladas, o que é comparável à massa do estágio seco (presumivelmente 26,3 toneladas).



Pára-quedas


Como qualquer solução de engenharia, os paraquedas têm vantagens e desvantagens. Por um lado, eles são ótimos para desacelerar uma queda e podem reduzir a velocidade para alguns metros por segundo. Porém, para uma aterrissagem muito suave, a área necessária começa a crescer irracionalmente - são necessárias algumas soluções adicionais. E com pouso de precisão, mesmo em domos controlados, há problemas. A SpaceX pega as carenagens da cabeça pelo navio, enquanto a suavidade da aterrissagem é garantida por uma enorme rede, mas até agora as carenagens geralmente erram o alvo. Os reforços laterais do ônibus espacial pousavam em para-quedas - seu design era mais rígido que o dos degraus com motores líquidos, e o pouso na água suavizou o golpe. Os propulsores laterais do veículo de lançamento Energia deveriam para-quedas,e o impacto na superfície deveria ser mitigado por motores de aterrissagem macios e rolamentos com amortecedores, mas na prática eles não conseguiram verificar esse conceito. O foguete suborbital SARGE da Exos Aerospace agora está de paraquedas, o que, devido ao seu peso leve e resistência estrutural, pode sobreviver a um impacto no solo.

Você pode avaliar a rigidez da aterrissagem por vídeo na lateral do foguete. Grandes etapas definitivamente não suportarão isso.

https://youtu.be/64cWvxnaG0M


Asas


Degraus alados em metal ainda não apareceram. O projeto Adeline para o europeu Ariane 6 foi encerrado, apesar de terem conseguido testar um modelo em grande escala. Com base no Baikal russo, o trabalho está em andamento no projeto Krylo-SV, em 2017-2018, o trabalho foi realizado como parte do pré-projeto, espera-se manifestantes tecnológicos antes de 2021.


“Wing-SV” em tamanho real e um demonstrador menor

Coleta de ar


De fato, a interceptação de ar permite que você perceba as vantagens dos paraquedas sem suas desvantagens. O helicóptero pega o palco descendo de para-quedas e permite pousá-lo suavemente no lugar certo. Teoricamente, essa opção deve exigir um mínimo de massa adicional no foguete - nem mesmo os apoios de pouso são necessários. E é muito feliz que eles não tenham esquecido essa idéia e tentarão implementá-la.

O Rocket Lab, inicialmente não planejando reutilizar o primeiro estágio, mudou de idéia no outono de 2019. No final de 2019 e no início de 2020, em lançamentos reais, foi verificada a operação de novos equipamentos, que proporcionavam descida controlada do palco. E na semana passada, foram realizados testes bem-sucedidos de pegar um helicóptero protótipo. Uma tentativa de dar um passo real já pode ser feita no final de 2020.



A United Launch Alliance está desenvolvendo um conceito para ajustar a seção de cauda do próximo veículo de lançamento Vulcan. Seu primeiro voo ocorrerá não antes de 2021 e não se sabe se será imediatamente reutilizável ou se será introduzido mais tarde.



Conclusão


A avaliação feita em 2013 de que o pouso em motores seria um dos mais pesados ​​do foguete foi confirmada. Mas isso não interfere na operação bem-sucedida do método - hoje simplesmente não há muitos competindo na mesma categoria de peso e se esforçando para derivar a carga útil máxima de mísseis, onde um método de aterrissar no primeiro estágio mais eficaz em termos de massa poderia dar uma vantagem perceptível. Quanto mais sistemas reutilizáveis ​​diferentes forem implementados, mais perguntas poderão ser respondidas pela experiência adquirida. Talvez na segunda metade do século existam soluções ótimas que se tornarão o padrão.

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