¿Por qué el lanzador reutilizable SpaceX utiliza aterrizaje vertical en lugar de horizontal?

Como alternativas al aterrizaje vertical con retromotores:

TSTO, el proyecto de India para lanzadores reutilizables, planea probar opciones tanto verticales como horizontales.

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(fuente: JustThe80.com )

SpaceX está tratando de acortar la distancia entre el lugar de aterrizaje y el lugar de lanzamiento para ciclos de lanzamiento más cortos, por lo que el uso del aterrizaje controlado, pero también parece posible aterrizar horizontalmente sin perder esta ventaja.

Para evitar un choque al llegar al suelo, al mar o a la barcaza, ¿por qué no simplemente cambiar, 30 segundos antes del aterrizaje, de una trayectoria controlada por empuje a un aterrizaje horizontal sin motor con paracaídas y bolsas de aire ?

Los cohetes ya están diseñados para (principalmente) tensión axial, empujando desde abajo y empujando desde la resistencia aerodinámica en la nariz (y la piel). Tener que lidiar con cargas fuera del eje significa que necesitarán más fuerza, lo que requiere más peso, cuesta más, etc. En última instancia, es claramente posible aterrizar verticalmente , y todo lo que parece requerir son algunas superficies de control (ligeras), software de control ( básicamente libre), y patas de aterrizaje. El hecho de que sea más fácil de conceptualizar no significa que sea mejor.
@NickT Y combustible adicional. No olvides el combustible. Las maniobras de aterrizaje vertical requieren combustible para los cohetes retro. El combustible es en sí mismo pesado y costoso, y el aterrizaje horizontal que usa cohetes solo para reorientarse (lo que también están haciendo los verticales), y luego quizás para correcciones menores, si eso, en una aproximación mayormente sin motor, es probable que use mucho menos que los retrocohetes del aterrizaje vertical.
En mi humilde opinión, es porque Elon Musk leyó demasiada ciencia ficción de los años 50. Solo estoy agradecido de que los propulsores no tengan aletas curvas masivas :-)

Respuestas (6)

En dos palabras: aterrizajes de precisión.

Detrás de todas las decisiones de SpaceX está el deseo de ir a otros planetas, especialmente a Marte. Para explorar el sistema solar, Elon Musk cree que los aterrizajes de precisión son extremadamente importantes. El requisito de aterrizaje de precisión significa que desea comenzar a reducir la velocidad de la nave espacial antes de llegar a la superficie, que apunta hacia las alas o los cohetes. Desafortunadamente, no todas las lunas/planetas del sistema solar tienen una atmósfera capaz de soportar el vuelo (o al menos, el vuelo de aviones pesados ​​a velocidades razonables), lo que hace que los cohetes sean una opción más atractiva.

Para escuchar a Musk discutir esto con sus propias palabras, mire su charla en el Simposio del Centenario AeroAstro del MIT en octubre de 2014. Habla de alas frente a cohetes a las 4:37 , y SpaceX frente a Boeing (cohetes frente a bolsas de aire) a las 48:15 :

También vale la pena mencionar que un cohete que aterrizó verticalmente (si está lo suficientemente desarrollado como para no requerir una plataforma de lanzamiento para el lanzamiento) puede simplemente reabastecerse de combustible y despegar nuevamente sin necesidad de que suceda nada más; un aterrizaje horizontal requeriría equipo para volver a poner el cohete en posición vertical (a menos que también despegara horizontalmente).
Junto con esto: Elon aumentó el nivel de dificultad al hacer que el primer destino fuera una barcaza, en el océano, cuya elevación cambia constantemente. Su equipo de cohetes está en modo experto.

No es necesario usar nada más que los cohetes. Por la misma razón, un helicóptero usa su motor y su rotor para aterrizar. Sería un poco ridículo aterrizar un helicóptero con paracaídas y bolsas de aire, ¿no?

El Boeing CST-100 utilizará paracaídas y bolsas de aire para aterrizar, y Elon Musk se burló de ello en una entrevista, diciendo que su aterrizaje de prueba de caída parecía un choque y que no es la forma de aterrizar una nave espacial en el siglo XXI:

El aterrizaje vertical propulsado por cohetes es más confiable que los paracaídas y solo agrega combustible, sin masa de hardware adicional. También salva la pista y da total flexibilidad para aterrizar en cualquier lugar y en cualquier momento, también en cuerpos sin aire. Obviamente es la mejor manera de hacerlo. Creo que el concepto ruso Baikal lleva el concepto de aterrizaje horizontal al extremo. Agregar motores a reacción, alas, tren de aterrizaje y otras cosas a los propulsores de cohetes. Es como poner un propulsor en un avión ordinario.

Para acortar el ciclo de lanzamiento, ¿tal vez la primera etapa aterrizada podría ser levantada de la barcaza para aterrizar en un helicóptero? El Mi-26 es capaz de transportar 20 toneladas 800 kilómetros; el peso seco de la primera etapa del Falcon 9 es de 16 toneladas.

"El aterrizaje vertical impulsado por cohetes es más confiable que los paracaídas". Interesante. Para completar, ¿tiene cifras?
@mins No hay muchos aterrizajes verticales propulsados ​​por cohetes para comparar, pero un paracaídas es obviamente más sensible al clima y no tiene la flexibilidad durante el proceso de aterrizaje que tienen los motores de cohetes. Los aterrizajes de helicópteros no son muy arriesgados, pero los saltos en paracaídas sí lo son. Las bolsas de aire fallidas podrían ser una de las razones por las que el módulo de aterrizaje Beagle falló en Marte, nunca se probaron con éxito en la Tierra antes del lanzamiento.
Gran respuesta. Lo único que no veo abordado aquí es que los paracaídas dependen de una atmósfera. Son bastante buenos para la Tierra, pero quién sabe adónde iremos.
¿El Dragon 2 no usa paracaídas como respaldo (iirc, los motores prueban fuego para verificar que están funcionando en el camino hacia abajo) y / o para perder algo de velocidad en el aire?
Por otro lado, si uno de los cuatro o cinco paracaídas falla, todavía obtienes un aterrizaje suave. Si uno de sus cohetes de aterrizaje falla, existe un riesgo sustancial de pérdida de control (también, con los cohetes, a diferencia de los paracaídas, una falla a menudo toma la forma de una explosión). Además, los paracaídas se desplegarán y lo ralentizarán incluso si su cápsula está boca abajo o dando vueltas (y también lo pondrán de pie), mientras que los cohetes solo lo ralentizarán si ya está en la posición correcta (y en realidad lo harán). aumenta tu velocidad si estás boca abajo).

SpaceX intentó usar paracaídas para aterrizar la primera etapa, pero no estaban contentos con los resultados.
Un aterrizaje con bolsas de aire es más complicado: debe colocar paracaídas en al menos dos ubicaciones (parte superior e inferior del escenario). Todavía no tienes un control preciso sobre la ubicación de aterrizaje. Debe aterrizar en una barcaza para evitar que el escenario se empape en agua de mar (lo que agregaría mucho tiempo de procesamiento para limpiar el escenario). El aterrizaje de una barcaza requiere un control exacto.
Aterrizar horizontalmente también significa que necesita más espacio para el aterrizaje: en un aterrizaje vertical, la huella es 2 veces la longitud de las patas de aterrizaje, en un aterrizaje horizontal, necesita un área al menos tan larga como el escenario.
Las bolsas de aire nunca se han usado para aterrizajes de este tamaño: las bolsas de aire más grandes que conozco fueron para los rovers de Marte Spirit y Opportunity. Para Curiosity, la NASA cambió a un aterrizaje motorizado porque no creían que pudieran hacer que las bolsas de aire funcionaran. La primera etapa del Falcon 9 es al menos 10 veces más pesada que el Curiosity.

Agregue a eso que la gravedad de Marte es mucho menor que la de la Tierra, si las bolsas de aire no funcionan allí, tampoco funcionarán aquí.
También vale la pena mencionar que Spirit y Opportunity todavía usaban retrocohetes antes de separarse del paracaídas/aeroshell y aterrizar en las bolsas de aire.
Como anécdota, el otro día conocí a un tipo de SpaceX que estaba de excursión y enfatizó el mismo problema que usted señaló con respecto a no querer que todo se sumerja en agua de mar.
@GdD: Por otro lado, la atmósfera de Marte también es mucho más delgada que la de la Tierra, lo que hace que la velocidad terminal de un objeto dado sea mucho más alta y que el impacto en el suelo sea mucho más fuerte.

Agregando a las ventajas que otros han mencionado...

Hace mucho tiempo, el jefe del ahora desaparecido proyecto ROTRON comentó que "las alas son la forma de recuperación más costosa", y luego explicó que al usar un "helicóptero propulsado por cohetes" para la parte del ascenso en la atmósfera, efectivamente estaban entregando un conjunto de alas para orbitar a un costo de energía neto cero para que pudieran usarlas para descender. Si sus alas 'siguen el viaje' sin 'pagar su camino' como lo hizo ROTRON, representan un gasto neto en el presupuesto masivo. La recuperación de la primera etapa no requiere llevar el mecanismo de descenso a la órbita, pero sigue siendo un costo para la carga útil en órbita. Dado que la carga útil en órbita como porcentaje de la masa de lanzamiento suele estar en el rango del 1% al 5%, cada kg ahorrado ayuda. (Cada libra ahorrada también ayuda :-)).

El costo de usar combustible en lugar de alas, paracaídas, bolsas de aire, etc. es un poco más de tanque, la masa de combustible requerida y posiblemente mayor confiabilidad del motor y vida útil.
Quienes han seguido este camino siempre han afirmado que las ganancias superan los costos.
Pero, entonces, lo harían :-).

Las ganancias son el porcentaje de carga útil más todas las cosas que otros han enumerado.

El método de aterrizaje alternativo que tenía en mente (antes de leer las respuestas) era cambiar de actitud controlada por el motor a paracaídas y despliegue de bolsas de aire al final, digamos 30 segundos antes del aterrizaje.
@mins Las transiciones del modo de vuelo son difíciles. En diferentes regímenes tienen diferentes sistemas de control. En efecto, está poniendo una operación muy compleja y altamente aleatoria 30 segundos antes de que esté a punto de colapsar. Es como hacer un derrape en un automóvil a 500 mph para tratar de estacionar junto a una pared.
Además, ese es el enfoque menos eficiente: necesitarás motores Y paracaídas Y bolsas de aire.

Los cohetes que aterrizan verticalmente mediante una serie de retroquemados son un punto crítico en el programa de reutilización de SpaceX. Aún más, su programa de vuelos espaciales tripulados se basa en un concepto decente con motor preciso. Varias otras empresas trabajan en el retorno atmosférico propulsor. Todos ellos usan para el descenso terminal los mismos controles que se usan en el ascenso, confianza vectorizada, generalmente por un motor gimbaled. Esta disposición era muy popular en las viejas películas de ciencia ficción: el aterrizaje es simplemente un ascenso en movimiento inverso.

La razón práctica para seguir una idea tan intuitiva es la atractiva oportunidad de recuperar los cohetes existentes con modificaciones mínimas.

El liderazgo de SpaceX confiaba en que la recuperación confiable de los propulsores de cohetes está a un paso después de la demostración de vuelo estacionario y descenso controlables. En la práctica, ha resultado más difícil. Los vuelos de prueba del propulsor reutilizable en un entorno más realista: reingresar desde la trayectoria suborbital revelaron una serie de problemas. Se han realizado modificaciones significativas del concepto inicial, pero el éxito sigue siendo difícil de alcanzar.de Defa 1960 Movimiento de ciencia ficción

de Defa 1960 Movimiento de ciencia ficción

Los vehículos de lanzamiento contemporáneos están estrictamente optimizados para la tensión axial en el lanzamiento vertical. Aunque cualquier intento de usar un sistema desarrollado y refinado para un propósito específico (ascenso vertical) para uno completamente diferente (descenso vertical) seguramente confrontará una vez más los problemas básicos ya resueltos durante el desarrollo del uso primario. Para permitir un aterrizaje vertical preciso, los cohetes diseñados para volar contra el objetivo o para lanzar naves espaciales deberán repensar y posiblemente volver a resolver los problemas básicos del vuelo propulsor para cumplir con los nuevos requisitos emergentes.

La discusión entre el aterrizaje horizontal y vertical para vehículos reutilizables se llevó a cabo entre el destacado historiador espacial Henry Spencer y Mitchell Burnside Clapp, quienes trabajaron en los programas DC-X y X-33:

http://yarchive.net/space/launchers/horizontal_vs_vertical_landing.html

Lo más probable es que Musk esté de acuerdo con las ventajas del aterrizaje vertical debido a las mínimas modificaciones adicionales necesarias para el cohete.

La discusión en la página referida es sobre aterrizaje motorizado, VL vs HL. Si bien es muy interesante, esto está un poco fuera de tema (VL con motor frente a HL sin motor que usa paracaídas / bolsas de aire).
¿Por qué el lanzador reutilizable SpaceX utiliza aterrizaje vertical en lugar de horizontal?
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