¿Cuáles son los desafíos para recuperar la segunda etapa de Falcon 9 de esta manera?

La segunda etapa del Falcon 9 se desecha actualmente en cada vuelo. Sé que ha habido algunos conceptos de SpaceX para hacerlo reutilizable, pero evidentemente aún no lo han hecho. Según tengo entendido, la dificultad para recuperar esta etapa proviene de las velocidades de reingreso mucho más altas y la mayor penalización de carga útil por agregar peso (y ahorrar combustible adicional). Dicho esto, intenté idear una forma en que esto podría hacerse:

Bosquejo del concepto

Básicamente, la etapa haría su arranque normal de salida de órbita y apuntaría el motor primero cuando vuelva a entrar. Estaría protegido por una pieza enfriada regenerativamente o un escudo térmico tradicional. Luego podría realizar una serie de encendidos y aterrizar de manera similar a la primera etapa, con aletas de rejilla y patas de aterrizaje.

Quería saber un par de cosas.

  1. ¿SpaceX todavía planea recuperar su segunda etapa?
  2. Y si es así, ¿cuáles serían los desafíos técnicos al hacerlo de esta manera?
Esto agregaría mucha masa a la segunda etapa, el escudo térmico, las patas de aterrizaje y los propulsores necesarios para la serie de quemaduras de recuperación. También necesitas algo para iniciar las quemaduras adicionales. La masa añadida reduciría la masa de la carga útil. Es posible que necesite una masa de carga útil negativa hecha de unobtanium.
Sin responder a la pregunta, pero han llevado a Falcon 9 a su límite de rendimiento y ahora su enfoque se ha desplazado al desarrollo de Starship, que sería completamente reutilizable. Será su caballo de batalla, aunque no en el corto plazo. No vale la pena prestar atención a la recuperación de la segunda etapa porque eso significaría sacrificar la masa de carga útil por hardware adicional, lo cual es fundamental para las misiones de viajes compartidos para los satélites pequeños. Otras compañías como RocketLab están ahí para implementar un lanzamiento dedicado para cargas útiles más pequeñas.
Incluso si "resuelven" los problemas de peso y combustible, tenga en cuenta que la segunda etapa no termina de hacer su trabajo hasta que es un ReallyLongWay(TM) desde el sitio de lanzamiento. La primera etapa está relativamente cerca, lo que permite colocar OfCourseIStillLoveYou en un lugar razonable.
@Carl Witthoft dando una vuelta una vez que estaría cerca del sitio de lanzamiento nuevamente.
¡Qué bellas ilustraciones!
Solo quiero comentar más, que a veces, el Falcon 9 lanza carga útil lunar (como TESS y Bereshit). Esa es la velocidad orbital + deltaV para entrar en la trayectoria adecuada (alrededor de 3 km/s). ¡Eso es mucha velocidad para cancelar! De todos modos, esas son muy buenas fotos! Ojalá pudiera dibujar así.
¡Gran pregunta! Ajusté algunas palabras para evitar pedir respuestas basadas en opiniones, ya que alguien votó para cerrar por ese motivo.
SpaceX ha dejado de lado los planes para hacer que el escenario superior sea reutilizable a favor del desarrollo de la gran cosa.
@lijat La Tierra está girando durante los ~ 90 minutos que tarda una órbita, por lo que cuando llegue a la latitud de lanzamiento después de una vuelta, estará alrededor de 22 grados W. del sitio de lanzamiento. 22 grados W. de Cabo Kennedy es Ocampo, México.
Bonitos dibujos! Olvidaste el cardán del motor y los cilindros de vectorización de empuje. Esto es importante para el control de guiñada y cabeceo. También necesitaría los propulsores de gas frío para el control de balanceo, ya que un solo motor de cardán no es suficiente para eso, y también para el control de actitud en la atmósfera súper delgada en las elevaciones más altas en las que tiene que operar la segunda etapa. Probablemente usted necesitaría sustancialmente más combustible y lox para las quemas de descenso y aterrizaje. Una pregunta clave es cómo desecharía parte de la boquilla y qué riesgos introduciría esto.

Respuestas (2)

Es probable que sea demasiado pesado.

A diferencia de la primera etapa, la segunda etapa necesita acelerar hasta alcanzar la velocidad orbital LEO/GTO. Esto significa que todas las cosas adicionales para el reingreso y el aterrizaje primero deben ponerse en órbita y luego desorbitarse nuevamente. Todo lo siguiente corta directamente (gramo por gramo) en la capacidad de carga útil:

  • Protección térmica capaz de manejar la entrada desde la órbita. Es probable que esto tenga que ser un escudo térmico ablativo, tendría que desperdiciar muchos propulsores para enfriar. ("Regenerativo" solo funciona cuando el motor va a quemar las cosas de todos modos).
  • Propulsores de desorbitación y aterrizaje
  • Sistema de control de actitud para vuelo atmosférico (aletas de rejilla, incluida la hidráulica)
  • Piernas de aterrizaje

La carga útil a LEO es de unas 15 toneladas métricas cuando no es un material fungible en vuelo. Cualquiera puede adivinar qué tan pesado sería todo lo anterior, pero es obvio que será una fracción significativa de la capacidad. Reutilizar la segunda etapa solo tendría sentido cuando se vuelan satélites realmente ligeros a LEO. Sin embargo, ese problema ya se puede resolver compartiendo el viaje o usando un lanzador más pequeño.

Finalmente, incluso si lograra hacer que esto funcione para lanzamientos LEO, sería imposible usarlo para cargas útiles GTO donde la capacidad actual es de poco más de 5 toneladas métricas (y los satélites GEO en general tienden a ser pesados). Por lo tanto, tendría que tener dos diseños muy diferentes de la segunda etapa según la órbita de destino, lo que probablemente encarecería todo tipo de procesos.

Sí, esto tiene sentido. No he hecho una estimación completa de la masa de estos sistemas, pero me imagino que son al menos unas pocas toneladas métricas (solo las patas de aterrizaje del propulsor pesan dos toneladas). Leí en alguna parte que solo obtendrían una reducción de costos del 30% al guardar la segunda etapa, por lo que no tendría sentido infringir más del 30% de la carga útil con peso adicional. Esto significa que el sistema tendría que tener un máximo de 4,5 toneladas métricas para ser rentable. Incluso si lo obtiene por debajo de eso, las horas de ingeniería para hacer eso probablemente podrían usarse mejor en otro lugar.
@BenWoodman Correcto, también vea el nuevo último párrafo.

Supongo que no están interesados ​​en recuperar las segundas etapas de Falcon 9, porque se centran principalmente en Starship/Superheavy. Allí la segunda etapa: Starship, ha sido diseñada para aterrizaje de reentrada y reutilización desde el inicio.

Pretendía hacer que ese comentario no fuera una respuesta. Feliz de eliminar si a alguien se le ocurre una respuesta más investigada.
Musk lo ha dicho, de hecho. No han perdido de vista la recuperación de la segunda etapa, pero sus recursos en este momento están mejor gastados en el desarrollo de Starship.
¿Cuáles son los desafíos para recuperar la segunda etapa de Falcon 9 de esta manera?
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