¿Cuánto combustible puede ahorrar SpaceX al aterrizar el propulsor Falcon 9 en una barcaza?

Del texto de este tuit parece que Elon Musk planea continuar haciendo aterrizajes en barcazas a largo plazo:

"La base es de 300 pies por 100 pies, con alas que se extienden a lo ancho hasta 170 pies. Permitirá repostar y volar cohetes en el futuro " .

Si es así, presumiblemente se debe a que pueden ahorrar en la masa de lanzamiento porque eso requiere menos combustible. Ese ahorro de peso se puede usar para reforzar las estructuras del cohete, dar un poco más de delta-v a la siguiente etapa, tener una carga útil más grande o tal vez simplemente tener más margen de combustible para maniobrar. También implica que confían en que pueden hacer que la barcaza sea lo suficientemente estable para aterrizar en todas las condiciones del mar.

Por lo tanto, el plan a largo plazo parecería ser despegar desde Brownsville TX y tal vez aterrizar en el Atlántico, para tener la mejor distancia en la que utilizar la resistencia del aire para reducir la velocidad de la etapa.

¿Se puede calcular el combustible que ahorrarían haciendo esto?

¿Por qué? No se trata de ahorrar combustible. Los costos de combustible para el lanzamiento de cohetes son insignificantes. Se trata de salvar el cohete. En la barcaza, el cohete se recargará y luego volará al siguiente sitio para su próximo lanzamiento. Es un cohete, vuela.
El ahorro de combustible es relevante para los márgenes de combustible para hacer la maniobra y la masa disponible para la carga útil o para reforzar las estructuras o mecanismos del cohete.
Me parece que la barcaza no traerá el cohete a casa, sino que repostará el cohete para que pueda volar solo a casa.
@dotancohen - Sí, eso es lo que está diciendo. El plan anterior era que el escenario volaría de regreso a la plataforma desde la que se lanzó, lo que significaba que tendría que dar la vuelta, y eso requiere más combustible. Al usar una barcaza, el escenario puede ser más lento pasivamente a través de la fricción del aire, y no tiene que cambiar tanto su trayectoria.
Pensé que habría alguna forma de estimar esto aproximadamente en base a cálculos relativamente simples con los números conocidos para el Falcon 9. Aparentemente no.
@briligg En resumen, nuevamente, el ahorro de combustible es irrelevante. Extra delta-v es el verdadero objetivo.
@Aron No se me ocurrió que mucha gente tomaría la forma en que se formula la pregunta diciendo que el propósito es ahorrar el costo del combustible. No indiqué las formas en que se podrían aplicar los ahorros de combustible (aunque lo hice anteriormente en los comentarios). Editaré la pregunta para dejar eso claro.

Respuestas (2)

Cuando se lanza la primera etapa de un Falcon 9, parece que habrá dos modos básicos disponibles. Reutilizable y desechable. Hemos visto lanzamientos en su mayoría prescindibles hasta ahora.

En el modo reutilizable, hay un costo de combustible para frenar el empuje hacia adelante, reducir la velocidad para volver a entrar a través de la atmósfera y finalmente aterrizar. Si bien no es un intento de ahorrar combustible, sino que el combustible debe reservarse para la recuperación, no puede usarse para el empuje a la órbita y, por lo tanto, se reduce la carga útil funcional.

La quema para controlar la reentrada en la atmósfera y el aterrizaje no se puede obviar fácilmente, pero la quema para ralentizar el vuelo hacia adelante posiblemente se minimice o elimine si hay un objetivo hacia abajo para aterrizar.

El aterrizaje de regreso en el sitio de lanzamiento se conoce como RTLS - Regreso al sitio de lanzamiento. Eso es más intensivo en combustible y, por lo tanto, más reductor de carga útil.

En segundo lugar, el núcleo central de un Falcon Heavy disparará durante más tiempo y, por lo tanto, más rápido/más alto en MECO. La pregunta es, ¿se puede recuperar eso? Bueno, RTLS en ese caso probablemente significaría una gran reducción de la carga útil, por lo que probablemente no valga la pena. Pero si hay un objetivo de rango inferior para aterrizar (una isla, una barcaza, un continente) que sea apropiado, el costo de recuperar el escenario podría reducirse en gran medida. (El costo siempre se ve desde una vista de capacidad de carga útil).

Una vez que el refuerzo está en la barcaza, ¿qué haces a continuación? Bueno, ¿tal vez inclinarlo horizontalmente, transferirlo a un barco más rápido y navegarlo de regreso a la base? ¿Quizás repostar y volar de regreso? Después de todo, es una etapa de cohete reutilizable. (Probablemente necesite una tapa, ya que el extremo superior abierto de una segunda etapa, que carece de la primera etapa, probablemente sea muy poco aerodinámico).

¿Está diciendo que cree que la aplicación se usará en gran medida para Falcon Heavies?
@briligg creo que abre opciones. Si F9E puede impulsar 30 000 lb a LEO, pero F9R se reduce a 21 000 lb, entonces si tiene una misión que necesita una carga útil de 25 000 lb, ¿cuáles son sus opciones? ¿Gastar más en un F9E (prescindible)? ¿Gastar más en un F-Heavy y desperdiciar toneladas de carga útil para quemar? Tener una plataforma de aterrizaje de rango inferior podría ser suficiente para que F9R sea la decisión correcta. Mismas decisiones básicas en Heavys. La recuperación de ese núcleo central podría suponer una gran diferencia de costes, por lo que es probable que lo utilicen los pesados. Pero una vez que esté disponible, puede haber casos en los que tenga sentido para F9. Las posibilidades se vuelven disponibles.
@geoffc, la cifra de 30 000 lb (13 150 kg) en el sitio web de SpaceX incluye la contabilización de la caída de la carga debido a la reutilización. Un F9 desechable puede elevar más de 16,5 mT a LEO en una configuración desechable.
@Antilogical He escuchado eso, pero realmente me pregunto si hay un malentendido sutil en esa declaración. El tiempo dirá.
@geoffc, puedo entender eso, y solía ser escéptico sobre ese número, pero Gwynne y Elon han declarado repetidamente que es correcto. Además, consulte la Calculadora de rendimiento del vehículo de lanzamiento de la NASA: F9 claramente pone 16 mT a 200 km LEO desde Cañaveral. Les envié un correo electrónico y confirmaron que en modo prescindible, F9 de hecho coloca los 16 mT indicados en órbita.
@Antilogical Bastante justo. Pero los números son irrelevantes. Quise decir que los números que usé eran ejemplos. F9R tendrá una carga útil más baja que F9E. Pero el rango descendente de aterrizaje F9R versus RTLS tendrá más carga útil.
Aterrizar en la barcaza es principalmente una situación temporal para demostrar la seguridad del rango en el sitio de lanzamiento que es seguro para RTLS.

Tengo que estar de acuerdo con el comentario de Geoffc. Especialmente el comentario "El costo siempre se ha visto desde una vista de capacidad de carga útil".

He trabajado como ingeniero aeroespacial tanto en aviones comerciales como en vehículos de lanzamiento espacial durante años y años. No puedo entender cómo el Falcon 9 ahorra dinero al aterrizar sobre su cola como lo hace, usando todo ese combustible. Sí, es una hazaña impresionante. Los sistemas de control que pueden hacer eso son asombrosos. Pero, ¿es esta una forma práctica de lanzar y recuperar su refuerzo?

La NASA estima que 1 libra de carga útil cuesta $ 10,000 para poner en órbita. ( https://www.nasa.gov/centers/marshall/news/background/facts/astp.html ). Reducir los ahorros de costos al tener un vehículo de lanzamiento reutilizable suena atractivo, pero hasta ahora no se ha demostrado que funcione desde una perspectiva de ahorro de costos... TODAVÍA. https://www.theverge.com/2018/5/9/17254384/spacex-falcon-9-block-5-upgrade-rocket-reusability-savings

Eso no significa que no se pueda hacer, algún día.

El gran problema es que la reentrada causa mucho daño y tienes que renovar tu vehículo de lanzamiento. Hay mucho daño por calor si necesita volver a entrar en la atmósfera. Sin embargo, incluso si su propulsor no vuela tan alto, solo la fricción de volar a través de la atmósfera a las velocidades necesarias hace mucho daño, sin mencionar la vibración del motor y el calor de las partes del motor que se quema. T

A que reduce a lo grande los ahorros de costos "reutilizables". El transbordador espacial de la NASA NUNCA se volvió rentable. De acuerdo, era una nave espacial tripulada y, por lo tanto, más costosa y para la seguridad humana, la renovación tenía que ser más extensa.

Pero al menos el transbordador espacial tenía una gran capacidad de carga útil. ¡Aterrizando como lo haría un avión, DESLIZANDO! Eso es muy eficiente en combustible. Aun así, nunca llegó a ser rentable.

Si el Falcon 9 va a ser rentable, creo que tendría que recuperarse de alguna otra manera. Todo ese combustible utilizado para aterrizar en su cola solo por empuje parece un desperdicio terrible. ¡El combustible de reserva necesario para eso, y su costo en peso, podría ser una carga útil útil y generadora de ingresos!

Los paracaídas hacen lo mismo y pesan mucho menos que todo ese combustible, incluso si agrega el sistema de despliegue de paracaídas. Los paracaídas modernos también se pueden "volar" como un planeador.

No tiene sentido para mí recuperar un refuerzo de esa manera. Incluso si aterriza más cerca de la plataforma de lanzamiento. Se ve genial. Pero creo que eso es todo.

Pero no diría que el Falcon 9 no tiene futuro. creo que sí Solo creo que para ganar dinero no puede aterrizar así. Demasiado peso desperdiciado y capacidad de carga útil para algo que es innecesario... en la Tierra de todos modos.

Si aterrizas en algún lugar con poca o ninguna atmósfera, como Marte o la Luna, entonces SÍ tiene sentido, porque básicamente no puedes aterrizar de otra manera. Aún así, la Nasa ha aterrizado sondas en Marte con paracaídas (grandes) e incluso rebotando (Mars rover). Puede salirse con la suya porque la gravedad de Marte es solo el 38% de la gravedad de la Tierra. Los paracaídas realmente no funcionan en la Luna.

Aterrizar de la forma en que aterriza Falcon 9 tendría mucho sentido en Marte o la Luna. De hecho, la forma muy precisa en que aterriza sería muy útil y, dada la menor gravedad, no usaría ni cerca de la misma cantidad de combustible pesado. Pero esa misión no se trata de recuperar su vehículo, al menos no esa parte del mismo.

Esto no responde la pregunta.
Este es un rascador de cabeza de una respuesta. Parece que fue escrito en 2014 cuando se hizo esta pregunta, la forma en que ignora el conocimiento adquirido en los 5 años intermedios. El uso de combustible para aterrizar es irrelevante, estás viendo las cosas equivocadas. La pregunta relevante es: ¿Se pueden reutilizar económicamente las cargas útiles de lanzamiento de cohetes que el mercado quiere pagar? Y esa pregunta ya ha sido respondida, con declaraciones públicas de reflights de costo reducido y una larga lista de clientes satisfechos.
El costo del combustible es insignificante. Algo así como 200.000 dólares para alimentar un Falcon 9. Una estimación pesimista de la cantidad de combustible necesaria para aterrizar es el 30% de la carga total, por lo que un aterrizaje cuesta 60.000 dólares . La construcción de una nueva primera etapa cuesta alrededor de $ 10 millones, por lo que ese es el límite máximo para el costo de renovación.
Falcon 9 ya es rentable. SpaceX cobra $ 62 millones por una misión recuperable, y las estimaciones de rentabilidad van desde un margen del 20% al 40% , y eso si no logran recuperar el refuerzo.
Si recuperan la primera etapa en buena forma, ganan otros $ 20 millones más o menos de margen en un vuelo futuro. Y esto es por un precio de carga útil 5 veces más bajo que los $ 10K/lb de la NASA. Lo inteligente es que si un cliente necesita lo que llama capacidad de carga útil "desperdiciada", SpaceX puede cobrarle un poco más por un vuelo prescindible sin ningún cambio en el cohete. Tenga en cuenta que alrededor del 60% de los satélites GEO son lo suficientemente livianos como para volar en un Falcon 9 recuperable, y casi todo el resto en un consumible.
@Hobbes ¿De dónde sacas 10 millones de dólares ? He visto cifras (ciertamente antiguas) de $ 30- $ 35M para la primera etapa.
Esta es una respuesta a una pregunta diferente, por lo que estoy de acuerdo con @ user2705196. Mike, haz una pregunta sobre la economía de los vehículos de lanzamiento recuperables y luego publica esto como respuesta. Espero que también consiga que varias personas aporten sus perspectivas, algunas muy informativas.
@RussellBorogove Hice una estimación de Fermi, por lo tanto, "del orden de"
¿Cuánto combustible puede ahorrar SpaceX al aterrizar el propulsor Falcon 9 en una barcaza?
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