Aterrizaje de la primera etapa de SpaceX: ¿por qué no usar una red elevada sobre la plataforma de aterrizaje para atrapar el cohete?

El cohete mantendría el mismo sistema de descenso que ahora (sin paracaídas). Pero en lugar de aterrizar sobre los pies, tendría largas aletas de rejilla en la parte superior que serían atrapadas por una red de cable elevada.

Los intentos anteriores de SpaceX mostraron que la posición de aterrizaje es muy precisa, pero que es difícil aterrizar lo suficientemente lento y estable para evitar caer de lado o romperse una pierna. Este objetivo de solución resolvería este problema, además de reducir el peso del cohete.

La idea global es transferir tanto como sea posible el sistema de aterrizaje (y su peso) desde el cohete hasta el suelo.

Red elevada para aterrizaje de primera etapa de cohetes

  • Sin paracaídas, conserva las ventajas actuales del descenso controlado apuntando a una posición precisa y óptima en el mar.
  • No más piernas pesadas.
  • Ya no puede caerse después de aterrizar o romperse una pierna.
  • Las largas aletas superiores de la rejilla ayudarían a estabilizar el descenso y ralentizarían un poco el cohete (lo opuesto a las patas inferiores actuales que lo hacen más difícil de controlar).
  • La fuerza del impacto de aterrizaje sería absorbida por la elasticidad de la aleta (y toda la plataforma sobre el agua) en varios metros; mucho más tiempo que el brutal impacto actual en los pies. Entonces el cohete podría aterrizar a mayor velocidad, ahorrando más combustible.

Entonces, seguramente debe haber fallas y problemas con esta idea... ¡esperando su opinión e ideas!

EDITAR: Vista superior de la red a continuación. La estructura metálica tendría 50 m de ancho (igual que la plataforma de aterrizaje actual), el orificio de la red de 15 m de diámetro y las patas superiores de 15 m de largo, por lo que no puede caer por el orificio ni estar en contacto con la estructura sólida.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Sobre algunos temas muy interesantes informados en las respuestas:

  • Precisión del cohete para entrar en el agujero de la red : el agujero tendría 15 m de diámetro y la precisión del objetivo de SpaceX es de 10 m, por lo que ya debería estar bien.

  • La red se quemaría/derretiría por el fuego del cohete : como se ve en el punto anterior, las llamas no deberían tocar los cables, y los cables deberían ser bastante resistentes a ellas de todos modos.

  • Resistencia Top-Legs (15 m en lugar de los 7 m reales):

  • Pienso mucho en el peso de las patas que se usan actualmente que proviene de los enormes cilindros hidráulicos necesarios para abrir las patas contra la fricción del aire (no es el caso de las patas superiores).

  • Además, deben ser muy fuertes para soportar el impacto instantáneo del aterrizaje, que sería suavizado por la elasticidad de la red.

  • También podemos imaginar algunas "patas" un poco diferentes: si la estructura es lo suficientemente alta, podrían ser algunos ganchos que atrapan la red, no horizontalmente a 45° verticalmente, y así toman toda la fuerza principalmente en tensión y no en compresión, más como cables y muy resistentes para un peso muy bajo.

  • Como nota, en este punto cometí un error al llamarlas "aletas de rejilla", solo serían patas superiores, haciendo automáticamente el mismo trabajo de estabilización que las aletas de rejilla debido a su longitud.

  • Resistencia de la estructura escénica . El escenario no está diseñado para soportar las piernas superiores, pero el cohete pesa 325 t en el despegue, así que supongo que 20 t en un aterrizaje más suave debería estar bien sin demasiado refuerzo.

  • Movimiento de la barcaza que haría muy inestable la parte superior de la red. Buen punto. Pero la barcaza es muy grande (50 × 90m) por lo que es bastante estable, y podríamos agregar una quilla muy pesada y profunda (no estoy seguro de la palabra) para estabilizarlo más, ya que no necesita moverse rápido en este momento (puede que ya sea el caso).

  • La red se rompería si el cohete llegara demasiado rápido . Absolutamente, pero el cohete seguiría desacelerándose hasta casi 0, como ahora. Tendría un poco más de flexibilidad, podría ser un poco más rápido o menos recto.

Peso seco: ~25 toneladas, cada 1% de combustible restante son otras 4 toneladas, lo que no es un obstáculo en sí mismo, pero hacer que el cohete pase casi por completo a través de un pequeño orificio puede ser una carga mayor para la navegación; sin duda, es una apertura más pequeña en fase espacio que el aterrizaje (que en este caso tiene 10 en lugar de las seis dimensiones habituales, ya que la inclinación es importante. ¡Pero vale la pena considerarlo más a fondo! Una ventaja potencial es que su red posiblemente podría absorber una cantidad variable de velocidad hacia abajo: no tiene para llegar a cero en cero.
El "agujero" en el medio de la red podría ser bastante grande (tan grande como pueden ser largas las aletas de la rejilla), y tuve la impresión de que todos los intentos anteriores ya eran realmente precisos para este punto. Y por otro lado, se ahorraría mucho combustible quitando el peso de las piernas y el aterrizaje perfectamente estable a velocidad casi 0. (pero, por supuesto, no calculé y no podría ^^)
Creo que apuntan a desarrollar sistemas que puedan aterrizar en terrenos no preparados, incluso en la Luna y Marte. Incluso si no es útil para aterrizar la primera etapa del F9, creo que lo usan como vehículo de prueba.
Eso es cierto. Pero aún podría ser mejor ahorrar tanto costo como sea posible para los cohetes terrestres "comunes".
Esto es muy similar a esta pregunta: space.stackexchange.com/questions/7866/…
No tan similar; los problemas de esta solución de cono no se aplican aquí (aterrizaje en una superficie no plana, daños en el lado del cohete, etc.)
Especulación: en el caso de un aterrizaje fallido, el costo de reparar o reemplazar la red y la estructura de soporte probablemente excedería los costos de reparación de las plataformas de aterrizaje actuales. Publiqué una respuesta a este efecto, pero no he podido encontrar ningún número que la respalde, así que elimino la respuesta y publico este comentario en su lugar.
Si vas a 0 m/s cuando golpeas la red, ¿por qué no vas a 0 m/s cuando toca el suelo? Y si vas por encima de 0 m/s, ¿de qué tipo de handwavium está hecha tu red|? @KeithThompson: quiere decirme que aquí había una respuesta que decía "Dinero". ? Hubiera UV eso.
Probablemente tendré que revisar esto y mi respuesta :) twitter.com/elonmusk/status/1422603106035118085

Respuestas (4)

Edición 2: agregó un párrafo sobre lo que sucede después del aterrizaje (ver en la parte inferior)

Así que tengo un montón de argumentos en contra de este esquema, pero este es el principal:

Has hecho las piernas el doble de largas (las reales miden unos 7 m), lo que significa que pesan al menos el doble. Probablemente más, ya que la carga se aplicará más hacia afuera, por lo que las piernas deben ser más fuertes. Lejos de ahorrar peso, acaba de agregar varias toneladas al peso vacío del escenario.

Otros argumentos:

Las patas están en la parte inferior del escenario, convenientemente ubicadas donde el escenario ya tiene que ser más fuerte para soportar las cargas de los motores. Las bisagras inferiores están unidas al marco del motor Octaweb. La bisagra superior tiene una carga de compresión, que es bastante fácil de diseñar (una banda de piel más gruesa es suficiente). Debido a la geometría de las patas, la carga se reparte entre las bisagras inferior y superior.

Cuando mueves las piernas hacia arriba, tienes que fortalecer el escenario en la parte superior, donde aún no tienes una estructura fuerte adentro. Cuando las patas están estiradas, las bisagras superiores no soportarán ninguna carga, por lo que la bisagra inferior debe absorber toda la carga. La bisagra inferior tirará hacia afuera con una fuerza de varias toneladas, por lo que debe fortalecer la piel aquí.

La parte superior del escenario está hecha para soportar peso en dirección vertical, no para soportar grandes cargas horizontales.

Asi que...

  1. no ahorras peso, porque todavía necesitas patas que puedan sostener el escenario, simplemente las has movido de abajo hacia arriba.
  2. necesita fortalecer la parte superior del escenario, lo que agrega peso.

Todavía tiene el modo de falla de 'una pierna se rompe después de aterrizar' o 'una pierna no se bloquea en su posición', porque está utilizando un mecanismo muy similar.

Los cilindros hidráulicos siguen ahí: esta vez no están empujando contra el viento, están evitando que el viento golpee violentamente las patas hacia atrás. Piernas más largas = mayores fuerzas aerodinámicas, por lo que nuevamente más peso para evitar que las cosas se rompan.

Una red es inherentemente menos resistente a las llamas del cohete que una losa de asfalto sobre una losa de acero. La red también crea cargas puntuales donde un cable se encuentra con la pata de aterrizaje. A medida que el cohete se asienta en la red, tenderá a moverse. La pata se deslizará sobre los cables, lo que desgastará las patas (el cable de acero es una hoja de sierra decente).

La barcaza se mueve en el agua, balanceándose sobre las olas. Cualquier movimiento se ve amplificado por la altura de los postes que sostienen la red: unos pocos grados de inclinación acaban por descolocar los postes varios m. Esto hace que el agujero sea un objetivo en movimiento que es mucho más difícil de alcanzar que la propia barcaza.

La maniobra hoverslam tiene como objetivo llevar la velocidad vertical del cohete a 0 en el momento del aterrizaje. Atrapar el cohete mientras todavía tiene algo de velocidad vertical aumenta las cargas en el cohete. Así que tienes que volver a hacer las piernas más fuertes y pesadas.

Cuando el escenario usa su motor principal para maniobrar, el motor se balancea, arrojando una columna de llamas de diez metros en un gran ángulo fuera de la vertical.

Es posible construir una plataforma que no se vea afectada por el movimiento de las olas. Puede agregar una gran estructura submarina que proporcione la flotabilidad. Las plataformas de perforación en alta mar a veces se construyen así. Esto haría que la barcaza fuera mucho menos móvil y 10 veces más pesada (= 10 veces más cara) de lo que es ahora.

Para obtener flexibilidad en el aterrizaje, sería más fácil reemplazar el diseño de la pata actual con uno que no bloquee y agregue algo de absorción de impactos al sistema hidráulico. Sin embargo, esto requiere un sistema hidráulico más pesado y complejo.

Y otra cosa: ¿qué pasa después del aterrizaje? En el diseño actual, la tripulación (presuntamente) sube a bordo y suelda algunas abrazaderas sobre las patas para asegurar el cohete para el viaje de regreso. Simple.
En su escenario, el cohete cuelga de una red. Habrá que asegurarlo, y bastante rápido, o chocará contra algo y se destruirá. No puede bajarlo verticalmente (sin patas en la parte inferior), por lo que tendrá que idear un mecanismo complejo para colocarlo horizontalmente en una cuna.

Gracias por la respuesta. ¿Estás seguro de que el escenario que soporta un peso de 325 t en el despegue realmente necesitaría ser reforzado para soportar una captura más suave en su parte superior a 20 t? Y sobre el movimiento de barcazas, eso es un problema seguro. Pero el movimiento debe estar limitado con una quilla muy larga y pesada (no estoy seguro de la palabra). No es necesario ser adecuado para viajes de velocidad, etc., el único propósito es mantener el equilibrio.
La red sería de cable para que resista un poco a las llamas, y de todos modos no deberían ser tocados por las llamas, hay un agujero de 15 m en el centro. Las piernas podrían romperse pero el impacto sería mucho más suave (gracias a la elasticidad de la red) que en tierra firme, por lo que hay menos posibilidades de romperse. Y el objetivo seguiría siendo obtener una velocidad "aproximadamente 0", simplemente no estaría obligado a ser exactamente eso, habría más flexibilidad que ahora.
En realidad, es una ola bastante sustancial que puede inclinar repentinamente una barcaza de ~170 x 300 pies unos pocos grados. Si tal ola golpea mientras el cohete está a punto de aterrizar, también podría tener efectos negativos. Creo que este realmente necesita ser simulado: las compensaciones pueden no ser tan claras con números reales.
Buen punto sobre el peso de las piernas superiores. Aunque creo que gran parte del peso de las patas actuales proviene de los enormes cilindros hidráulicos necesarios para abrir las patas contra la fricción del aire (no es el caso de las patas superiores). También deben ser muy fuertes para soportar el impacto instantáneo del aterrizaje, que sería suavizado por la elasticidad de la red. Finalmente, las patas superiores tendrían que ser en su mayoría resistentes a la tensión, no a la compresión, y eso es mucho más fácil de lograr (un cable es muy resistente a la tensión, mucho más difícil de obtener la misma resistencia a la compresión)
He agregado algunos pensamientos sobre la hidráulica y lo que sucede después del aterrizaje.
¡Es una excelente pregunta! ("¿Qué sucede después del aterrizaje?"). Aparentemente, después de que el sistema hidráulico baje el cohete a unas pocas pulgadas de la plataforma, usarán este soldador de arco robótico para asegurarlo directamente. ¡En serio, aunque es un buen punto! La idea de que alguien irá y "lo quitará más tarde" no termina de encajar.
"'una pierna no se bloquea en su posición', porque estás usando un mecanismo muy similar". - no en este caso, porque la cerradura es inherente (la bisagra ya no se abre) en lugar de un mecanismo (evita que la pata se cierre como se abrió).
Todos los buenos puntos. Creo que la debilidad de mi sugerencia está en la resistencia de las piernas. Definitivamente requeriría algún cálculo, que no puedo hacer. No creo que la estructura de la plataforma o la seguridad del cohete después del aterrizaje sea un gran problema, todo este mecanismo sería reutilizable y no se enviaría al espacio.
Podríamos imaginar variante de esas piernas. Por ejemplo, solo muchos cables, que serían "tirados sobre el cohete a 45 °" por un miniparacaídas (un paracaídas realmente pequeño, solo para tirar de los cables). Y esos cables tendrían ganchos que quedarían atrapados en la red.

Problema #1: el cuerpo del cohete es realmente delgado (como una lata de refresco) y la fuerza más pequeña en la dirección en que se aplicaría la red probablemente lo abollaría.

Problema n.º 2: nunca hubo un problema con la estabilidad que necesitaría resolverse con algunos artilugios adicionales. Fue:

  • no hay suficientes líquidos hidráulicos para la dirección
  • válvula atascada y algoritmos que no tienen en cuenta la latencia que creó
  • pierna no bloqueada
  • aún no estoy seguro (¿tal vez viene demasiado rápido porque no hay suficientes márgenes de combustible?)

Los primeros 3 solo necesitaban solucionar el problema específico y el cuarto intento fue una prueba de los límites superiores de todos modos.

Problema n. ° 3: la red y las estructuras circundantes tendrían que soportar los escapes de cohetes de 1 o incluso 3 motores (supuestamente en el cuarto intento).

Problema n.° 4: SpaceX se está entrenando para Marte y allí no tendrá esos beneficios .

Estos son los problemas hasta ahora: ¡no hay suficientes datos para decir que son los únicos problemas!
Acerca del problema n. ° 1: el agujero podría ser bastante grande (tan grande como las aletas de la rejilla podrían ser largas), creo que la precisión actual ya sería suficiente para ello. Editaré la publicación al respecto. Sobre el problema n. ° 2: con la red, los mismos primeros 3 problemas no habrían roto el cohete (en teoría, por supuesto). La idea sería salvar el cohete incluso si el aterrizaje no es perfecto/estable o si hay varios problemas.
Cuanto más grande sea el agujero, mayores serán las velocidades y las fuerzas aplicadas por él en caso de que se "utilice", y más importante es el #1. Esto ya se ha discutido demasiadas veces, incluso se ha convertido en una pregunta frecuente .
Muy buenos puntos, lo siento, no había visto esta pregunta frecuente. Sin embargo, en realidad no es la misma sugerencia (mantener las piernas, simplemente agregar algo para evitar que se caiga), por lo que la mayoría de sus respuestas realmente no se aplican aquí. Pero tienen un buen punto sobre las fuerzas (las rejillas de mis aletas podrían romperse si no son demasiado fuertes y demasiado pesadas) y el objetivo de aterrizar en otros planetas.
Acerca del problema n. ° 3: no creo que sea un gran problema, no habría contacto directo con los escapes, menos que con la estructura de despegue.
Sobre el problema #4: ¡sí, tienes razón!
@Gaddy sí, el elemento de preguntas frecuentes es la respuesta más genérica, porque las variantes son demasiado numerosas. Pero en mi humilde opinión, lo principal es el n. ° 2: se espera que sea mucho más simple solucionar los problemas pequeños en lugar de desarrollar un nuevo conjunto de problemas más grandes.
@Gaddy y sobre su diferencia específica: el cuerpo del cohete está diseñado para las fuerzas de los motores que empujan 5G + hacia arriba , pero podría ser bastante frágil si los motores (la parte más pesada) "colgaban" de la parte superior.
Tal vez, pero sigue siendo divertido discutir entre nosotros sobre esas variantes y sus ventajas y desventajas :-)
Acerca de la resistencia a la fuerza arriba/abajo: sí, es posible, pero supongo que la fuerza de despegue con todo el peso es tan alta que debería estar bien para colgar la estructura vacía. Tengo más preocupaciones por la resistencia de las rejillas de mi aleta larga (aunque hicieron algunas piernas, sería todo lo contrario)
Problema # 5: sí, encendería los motores antes, pero también "aterrizaría" antes (todo sucedería un poco más alto), por lo que no hay una diferencia real, ¿no? PD: deja de añadir problemas ;-)
@Gaddy Incluso en el despegue, los motores empujan todo ese peso, pero sí, la parte superior sostiene la segunda etapa completamente alimentada, por lo que no puede ser demasiado frágil. Sus aletas de rejilla se convierten en patas en una posición diferente si tienen que soportar el mismo peso y no romperse, y no evitaría el problema de Jason-3 de que las patas no se bloquean, porque también necesitarían tener un mecanismo de bloqueo.
El anuncio de @Gaddy n.° 5 es verdadero. Detenido por ahora :)
Creo que bloquear las patas "invertidas" sería mucho más sencillo porque su despliegue es ayudado por la fricción del aire en lugar de ir en contra. Por lo tanto, no hay una necesidad real de un mecanismo de bloqueo, la fricción del aire empujaría las patas hacia arriba de todos modos, en su estado desplegado. Lo siento, no me explico muy bien con mi mal inglés.

Está utilizando velocidades demasiado altas para que sea factible, similar a un aterrizaje en el agua (se podría decir, por qué no "zambullirse" en el agua). A las velocidades en que un cohete aterriza, si no se controla fuertemente, golpear una red es igual a golpear la superficie del suelo/agua.

Por lo tanto, las patas de aterrizaje (que se anclan a la red) deben resistir toda la fuerza Y disipar toda la energía cinética, sin crear un gran impulso.

Entonces, ¿qué hace que esto sea "más fácil" que un aterrizaje en tierra según usted? La red debe tener un límite elástico muy alto para resistir esas fuerzas. Pero no solo eso: o la red debe ser realmente flexible, o los anclajes de aterrizaje simplemente deben soportar las mismas fuerzas que un aterrizaje en tierra.

Un material de alta resistencia a la fluencia, altamente dúctil ( módulo de Young bajo ) que se puede crear de un tamaño lo suficientemente grande simplemente no existe todavía. Claro, los materiales teóricos como el grafeno podrían resultar útiles en el futuro, pero si lo permiten, ¿por qué no hacer todo el cohete con ese material?

Ahora también hay un inconveniente real en el uso de una red en comparación con un aterrizaje en tierra como lo hace Soyuz. (Esto es similar a por qué los aterrizajes en el agua son mucho más difíciles tanto para el aire como para las naves espaciales). La tierra es una estructura bien definida, conoces su forma y es (probablemente) bien plana. Una red (y el mar) no son así, se deforman (olas) y casi nunca son planas. Este efecto es, en una red, exagerado por el funcionamiento de las estructuras enredadas: nunca aterrizas perfectamente, por lo que una parte del cohete tocará la red primero, esto crea una ola que en realidad creará una fuerza ascendente en otras partes que están aterrizando. .

Intenta simular la última parte.

La velocidad seguiría siendo muy lenta, casi 0, solo más flexibilidad que ahora, soportaría una velocidad un poco más alta en el aterrizaje gracias a la elasticidad. Seguiría siendo un descenso fuertemente controlado. Lo que lo hace más fácil que en suelo sólido es que habrá algo de elasticidad para absorber las fuerzas del impacto durante más tiempo, con el impacto suavizado. Un poco de flexibilidad ya es mucho mejor que un terreno firme con un impacto instantáneo. Los cables sólidos deberían estar bien, con la distancia habrá un poco de elasticidad con una pequeña deformación del cable y la estructura en sí.
Su punto sobre agua/tierra es cierto, pero spacex ya intenta aterrizar en el mar para evitar gastar una gran cantidad de combustible para volver a tierra. Sobre la "ola" creada cuando un lado aterriza primero, es cierto, pero el efecto es peor en tierra firme, ya que es un impacto instantáneo en lugar de ser suavizado por la elasticidad. Me refiero a que si aterrizas en tierra firme que no está perfectamente recta... toda la fuerza del impacto instantáneo va sobre una pierna, muy difícil de resistir. En la red, este toque inicial no será tan importante, ya que es suave en un tiempo más largo.
Existen resortes y cables de acero, y vienen en una variedad increíblemente grande de tamaños. [1 ], [2 ], [3 ]. ¡A cualquier constructor de puentes colgantes le encantaría este proyecto!
[4 ]
@uhoh: Sin embargo, Stell es realmente rígido (módulo joven alto) en comparación con su fuerza máxima, por lo que realmente no obtendrá un "aterrizaje suave", usar resortes no es una "solución mágica" - todavía está limitado en el elección de materiales (El aluminio y el titanio son mucho más fáciles de doblar que un resorte).
@Gaddy: Creo que estás sobreestimando la cantidad de impulso que puedes disipar a través de un sistema de resorte. - Teniendo en cuenta que esto debe estar totalmente en la deformación elástica (objetivo = reutilización), por lo que se debe evitar la deformación plástica del metal.
Puede que tengas razón: pero en ese caso, la estructura podría mejorarse con algunos sistemas mecánicos específicos, o cilindros hidráulicos o cualquier otra cosa para agregar algo de elasticidad durante la captura. Todo esto podría ser muy costoso, ya que cualquier peso en el suelo (y reutilizable) no cuesta nada en comparación con ahorrar algo de peso en el cohete.
Estas son preguntas de ingeniería absolutamente básicas que deben abordarse con algunas matemáticas simples, no con párrafos. Si un material funcionará o no se expresa como need > iso need < is. Esta bola (ver video) pesa más que un F9 lleno de combustible antes del despegue; en este caso, los amortiguadores hidráulicos absorben energía. Véase también. La pregunta actual tiene necesidades algo diferentes, y adaptarse a nuevos requisitos es lo que hacen los ingenieros todos los días.
corrección: "...lo que los ingenieros ' muy inteligentes ' hacen todos los días".

Hay una razón clave por la que SpaceX no hará esto y es el costo. Ya tienen un procedimiento de aterrizaje aceptable y la intención es eventualmente eliminar los lanzamientos de Falcon 9 a favor de Starship.

Por lo tanto, hay pocos incentivos para pagar mecanismos de captura relativamente complejos en tres naves no tripuladas y tal vez perder uno o dos refuerzos mientras se prueba.

Pero SpaceX (eventualmente) usará algún tipo de mecanismo de captura para el refuerzo Superheavy de Starship.

Aterrizaje de la primera etapa de SpaceX: ¿por qué no usar una red elevada sobre la plataforma de aterrizaje para atrapar el cohete?
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