¿Por qué el cohete SpaceX Falcon 9 hace un giro de 180 para volver a entrar?

Hobbes ya les mostró un diagrama del perfil de lanzamiento del Falcon 9, así que no lo repetiré.

Nota: Esta respuesta no pretende ser un tratamiento científico completo del tema. A sabiendas y deliberadamente simplifico, paso por alto e ignoro las cosas en varios lugares, para explicar esto de una manera que, con suerte, tenga sentido para el OP sin dejar de ser razonablemente correcto.

Hay una idea errónea común de que el espacio está simplemente "en lo alto". No lo es. Puede llegar a la altitud orbital con bastante facilidad y, si no hace nada más, una vez que apague el motor, simplemente volverá a caer al suelo. Esto se debe a que, por poner un ejemplo, la atracción gravitatoria de la Tierra a la altura de la Estación Espacial Internacional es aproximadamente el 90 % de la de la superficie.

Más bien, el espacio (o más exactamente en este caso, la órbita) es cuando avanzas muy rápido . De hecho, tienes que avanzar tan rápido que tu impulso hacia adelante coincida con el impulso hacia abajo impartido por la gravedad. Para establecer una órbita baja estable (unos cientos de kilómetros hacia arriba) alrededor de la Tierra, debe moverse hacia los lados en algún lugar en el rango de 7,000 a 8,000 metros por segundo . Esto se llama velocidad orbital., y su valor disminuye a medida que te alejas del cuerpo central (porque la influencia gravitacional del cuerpo central cae con el cuadrado de la distancia). Si tiene problemas para visualizar qué tan rápido es esto, considere que la ISS, que se encuentra en una órbita terrestre baja (alrededor de 400 km de altitud), gira alrededor de la Tierra una vez cada 90 minutos. La órbita de la Tierra alrededor del Sol funciona de la misma manera, solo que la Tierra se mueve a unos 30.000 m/s para dar una vuelta completa alrededor del Sol en unos 365 días.

Entonces, un cohete gasta la mayor parte de su energía para ganar esa velocidad lateral. Obviamente, gasta algo de energía para llegar a la altitud correcta, porque la altitud y la velocidad están íntimamente relacionadas en el campo de estudio que llamamos mecánica orbital , pero la gran mayoría se gasta ganando velocidad de avance, no altitud.

Una órbita tiene un valor conocido como su excentricidad . La excentricidad de una órbita es, básicamente, un valor que indica cuán circular es. Una órbita perfectamente circular tiene una excentricidad = 0, y una órbita elíptica tiene una excentricidad en el rango$0 < e < 1$. También es válido tener$e \ge 1$, pero no necesitamos considerar esos casos aquí (esas son trayectorias de escape porque están saliendo del campo gravitatorio del cuerpo central). Las órbitas perfectamente circulares son una construcción en gran parte teórica que en su mayoría no existe en la vida real; todas las órbitas prácticas tienen al menos un pequeño grado de excentricidad distinto de cero.

Para órbitas con excentricidad muy baja, y donde la masa del objeto en órbita es mucho más pequeña que la masa del cuerpo que está orbitando (como una nave espacial en órbita circular alrededor de la Tierra), podemos estimar el período orbital$T$Residencia en

En la Tierra, si desea reducir la velocidad, simplemente puede dejar de aplicar empuje hacia adelante. La fricción eventualmente (generalmente muy pronto) hará que su vehículo pierda velocidad de avance, y eventualmente se detendrá de una forma u otra. Esto es independiente de la construcción de su vehículo; puede ser un auto, una bicicleta, un avión, un helicóptero o un caballo de carreras, y eso no importa.

En el espacio, no hay (o más bien, para todos los efectos y en cortos períodos de tiempo, insignificante) fricción. Por lo tanto, si una nave espacial apaga su motor, la nave espacial simplemente continuará en la órbita causada por su velocidad actual y su posición actual dentro del campo gravitacional local. A diferencia de un avión, la nave espacial puede apuntar literalmente en cualquier dirección, y a la mecánica orbital no le importa; a diferencia de un avión, una nave espacial no opera dentro de ningún medio fluido. Para dar la vuelta, cambiar su dirección de viaje o detenerse en el espacio, una nave espacial necesita aplicar un empuje adicional en alguna dirección distinta a la dirección de viaje .. (Hay otras formas, como las hondas gravitacionales, pero esas son básicamente un caso especial de esto, y de todos modos no se aplican a los lanzamientos en órbita terrestre).

Tal empuje es comúnmente, pero lejos de siempre, aplicado retrógrado . Retrógrado es una de esas palabras graciosas en cohetería y mecánica orbital; aquí, significa "opuesto a la dirección de viaje". En un automóvil, se llamaría "en reversa y con las ruedas apuntando hacia adelante".

La aplicación de empuje parcial o totalmente retrógrado tiene el efecto de reducir la velocidad de avance de la nave espacial. Debido a que esto significa que ya no puede mantener su órbita actual, comenzará a caer en la dirección del campo gravitatorio prevaleciente, que en el caso de una órbita terrestre baja y empujando para volver a entrar eventualmente hace que la nave espacial vuelva a entrar en la atmósfera terrestre como cae hacia la Tierra. Con menos empuje, o empujando en una dirección que no sea completamente retrógrada, hará que la nave espacial se asiente en una órbita diferente, que puede o no intersectar la Tierra o la atmósfera. El cambio de velocidad resultante de este empuje es lo que llamamos delta-v , de la letra griega$\Delta$que en matemáticas se usa para indicar diferencia, y$v$que por convención es el símbolo asociado con la velocidad. El cambio de velocidad necesario para establecerse en una órbita diferente, incluso una que intersecte a la Tierra, suele ser mucho menor que el necesario para establecer la órbita original; por ejemplo, el transbordador espacial estaba comúnmente en una órbita similar a la de la ISS, pero solo necesitaba aproximadamente 90 m/s de delta-v bajo potencia para comprometerse a aterrizar . Una vez comprometido con el aterrizaje, el transbordador espacial no tenía suficiente potencia de motor para volver a una órbita estable alrededor de la Tierra.

Como los motores están fijos en un extremo de la nave espacial y la nave espacial generalmente apunta progrado (en la dirección de viaje) después de que los motores se han apagado, la nave espacial tiene que dar la vuelta antes de que pueda aplicar un empuje retrógrado significativo. Por lo tanto, tiene que voltearse. Debido a que hay tan poca fricción en el espacio, puede hacerlo tranquilamente, sin afectar mucho su dirección de viaje; en una atmósfera, el vehículo probablemente comenzaría a dar vueltas y posiblemente se rompería debido a las fuerzas aerodinámicas, y las aeronaves necesitan consideraciones especiales para poder realizar cualquier cosa que se parezca a maniobras similares.

El resto es simplemente un elaborado baile para lograr que la nave espacial se asiente lenta y seguramente en un lugar apropiado de la superficie de la Tierra. Uf. Poniéndolo de esa manera, suena francamente simple .

Trayectoria de la primera etapa del Falcon 9 :

Gráfico cortesía de ZLSA Design (zlsa.github.io)

Como puede ver, antes de que se queme el refuerzo, el escenario se voltea para que los motores apunten en la dirección del viaje. Cuando los motores se encienden, esto ralentiza el escenario.

Esta trayectoria se usa cuando el escenario regresa al sitio de lanzamiento (y para algunos experimentos iniciales en los que la nave de aterrizaje del ASDS se colocó cerca del sitio de lanzamiento). Para aterrizajes por debajo del ASDS, se omite la quema de refuerzo. El propulsor aún tiene que voltearse, por lo que los motores apuntan en la dirección de vuelo para el encendido de reingreso.

Un cohete se lanza, inicialmente hacia arriba para salir de la parte densa de la atmósfera, pero muy pronto gira para acelerar horizontalmente.

Orbitar se trata de ir lo suficientemente rápido alrededor del planeta (o fuente de gravedad) para que el equilibrio de la fuerza centrípeta y la gravedad sea el mismo.

La velocidad orbital es muy alta, del orden de 18,000 MPH. Entonces, la carga útil, para orbitar, necesita alcanzar esa velocidad.

Cuando la primera etapa se separa, está a unos 60 kilómetros del suelo, yendo a unos 3000 KPH. (Los diferentes perfiles de misiones difieren un poco con SpaceX, ya que una misión GTO requiere más rendimiento desde la primera etapa que una misión LEO ligera).

Para aterrizar, el escenario tuvo que volver a entrar, que está abajo, pero también ralentizado, y perdió esa velocidad de 3000 KPH.

Al estar vacía (se usa la mayor parte del combustible y el oxidante), la masa de la etapa cae desde el rango de 1,5 millones de libras hasta el rango de 150-200 KLb. Por lo tanto, el empuje del motor es más efectivo para transferir impulso, trabajando en una masa más pequeña. Por lo tanto, solo usan tres motores para reducir la velocidad.

Cuando hay suficiente margen (la carga útil era lo suficientemente liviana o la órbita era lo suficientemente fácil), no solo cancelan su velocidad de avance (por lo tanto, el giro de 180 grados) sino que también vuelan de regreso la distancia que ya cubrieron, para aterrizar en Florida. (O potencialmente Vandenberg, o incluso Boca Chica en el futuro).